熱擠壓變形對Al_Si復合材料組織性能的影響

1、收稿日期:2006201224;修訂日期:2006206223作者簡介:鄭晶(19802,浙江衢州人,碩士生.研究方向:鋁基復合材料.Em ail :zhengorjing FOUNDR Y TECHNOLO GY熱擠壓變形對Al 2Si 復合材料組織性能的影響鄭晶1,王智民1,王建軍1,劉明華2,張冀粵1(1.西安理工大學材料科學與工程學院,陜西西安710048;2.西安建筑科技大學冶金工程學院,陜西西安710055摘要:利用金相顯微鏡、掃描電鏡和萬能拉伸試驗機考察了用壓力熔滲法制備的粒度為5080m 的Si 顆粒增強Al 2Si 復合材料和將其進行熱擠壓后的顯微組織及室溫拉伸性能。結(jié)果表明

2、:以17.31.0的擠壓比熱擠壓后復合材料組織的均勻性得到了明顯改善;復合材料擠壓材的抗拉強度、屈服強度和伸長率較壓滲材普遍提高;熱擠壓沒有改變復合材料的斷裂機制,由于擠壓后顆粒分布均勻等原因,使復合材料的塑性得到改善。關鍵詞:熱擠壓變形;Si/Al 基復合材料;顯微組織;力學性能中圖分類號:TB331文獻標識碼:A 文章編號:100028365(20060820839203Eff e c t of Hot Ext r us i o n Def o r m a ti o n o n Mic r os t r uc t ur e a n dMe c ha ni c al Pr op e rti

3、e s of Al 2Si Co mp os it eZHENG Jing 1,WANG Zhi 2min 1,WANG Jian 2jun 1,L IU Ming 2hu a 2,ZHANG Ji 2yue 1(1.School of Materials Science and E ngineering ,Xi an U niversity of T echnology ,Xi an 710048,China ;2.School of Metallurgy E ngineering ,Xi an U niversity of Architecture and T echnology ,Xi

4、an 710055,ChinaAbs t rac t :The micro structure and mechanical propertie s of Al 2Si compo site reinforced by Si particlewith size of 50m 80m before and after hot extrusion were inve stigated by OM ,SEM ,and tensile te st.The re sults show thatthe micro structure of the compo site after hot extrusio

5、n with the extrusion ratio of 17.31become s more uniformly ,and compared with the micro structure characteristic of nearly free dislocation before hot extrusion ,more dislocations are found in the micro structure.The ultimate strength ,yield strength and elongation of the compo site are also increas

6、ed after hot extrusion.The hot extrusion do not change the fracture mechanism of the compo site and the plasticity is improved due to the evenly distributed particle s after hot extrusion.Ke y w ords :H ot extrusion deformation ;Si/Al matrix composite ;Microstructure ;Mechanical properties近年來,金屬基復合材

7、料(MMCs 的研究和開發(fā)均取得了較大進展,其中陶瓷顆粒增強輕金屬(Al ,Mg ,Ti 基復合材料由于低成本、高模量、高強度、高耐磨性、易于制造等優(yōu)點1,在航天航空工業(yè)、汽車工業(yè)及其它產(chǎn)業(yè)中展現(xiàn)了很好的應用前景2。美、日等國已成功地將其應用于汽車活塞、連桿和制動盤零部件等民用領域,其批量生產(chǎn)取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。塑性成形是顆粒增強金屬基復合材料應用中的重要技術3,熱擠壓是金屬基復合材料塑性成形常用的手段之一,可以改善顆粒增強金屬基復合材料的微觀組織,提高力學性能4,5。因此,作者對Si 顆粒體積分數(shù)為30%的Al 2Si 復合材料進行了熱擠壓實驗,旨在研究熱擠壓對其微觀組織和力學性

8、能的影響,為解決復合材料的塑性成形問題提供技術依據(jù)。1實驗方法實驗用材料為市售200目鋁、硅粉(粒度在5080m 和ZL102(含硅12wt %左右。采用壓力熔滲法制備Al 2Si 復合材料。熔滲所得Al 2Si 復合材料在420450以17.31.0的擠壓比進行熱擠壓變形,擠壓筒直徑為 50mm ,擠壓模為單孔圓模,擠壓速率為0.40.6mm/s ,復合材料的預熱溫度為440480。壓力熔滲和經(jīng)熱擠壓制備的Al 2Si 復合材料樣品先用水磨砂紙粗磨,再用金相砂紙細磨,最后在P 22型拋光機上機械拋光,直到無任何劃痕為止。金相試樣制備好后,立即進行浸蝕。浸蝕劑為0.5wt %氫氟酸水溶液試劑。

9、浸蝕后即可在金相顯微鏡下進行組織觀察并有選擇的照相。所用金相顯微鏡為N EO 2P HO T 221大型臥式金相顯微鏡。掃描電鏡分析在J SM 26700F 型掃描電鏡上進行。主要觀察材料的微觀組織、第二相的形態(tài)、大小及分布。拉伸試驗在938CCS 2220型電子萬能拉伸試驗機上進行,加載速率為0.5mm/min 。圖1為復合材料拉伸試樣尺寸。 圖1復合材料拉伸試樣Fig.1Tensile sample of composite2結(jié)果與分析2.1金相組織在本次擠壓實驗中,采用擠壓比=17.3來研究擠壓變形程度對合金組織和性能的影響。 圖2和圖3為合金試樣在擠壓與不擠壓狀態(tài)下的金相顯微組織。 圖

10、2未擠壓合金的金相組織Fig.2Microstructure before extrusion圖3擠壓態(tài)合金的金相組織Fig.3Microstructure after extrusion從圖中可以看出,擠壓變形對合金的組織有著較大的影響。與壓力熔滲態(tài)組織相比,經(jīng)過熱擠壓變形后復合材料的Si 顆粒組織明顯變小、變均勻。圖2照片上顯示的明亮區(qū)域為顆粒貧乏區(qū),較暗的區(qū)域為顆粒富集區(qū),這種狀況的形成是由于在壓力熔滲制備Al 2Si 復合材料過程中,壓力對顆粒團族推斥作用引起的。因此從微觀上看,在復合材料中存在較明顯的分布不均勻的狀況。經(jīng)熱擠壓后顆粒分布趨于均勻,熔滲材中的“島狀團聚”明顯減少。材料內(nèi)

11、部的顆粒尺寸明顯減小而且大小比較均勻。過共晶Al 2Si 合金雖然是一種優(yōu)良的耐磨材料,但其鑄態(tài)組織由初生Si 、2Al 和共晶組織組成,而且初生Si 的尺寸較大,形狀多為片狀或五花瓣狀,所以常規(guī)凝固的過共晶Al 2Si 合金的應用受到極大的限制。經(jīng)過擠壓工藝,在Al 2Si 復合材料中,過共晶Al 2Si 合金的組織中只有初生Si 和基體2Al 相組成,而且初生Si 基本都為團塊狀,在2Al 基體中分布均勻,初生Si 比常規(guī)凝固的初生Si 要細小得多。2.2拉伸力學性能圖4和圖5分別為Al 2Si 復合材料熔滲試樣和熔滲后擠壓試樣拉伸斷口SEM 照片。兩者沒有明顯的頸縮現(xiàn)象,在宏觀上皆呈脆性

12、平斷口特征。圖4熔滲試樣斷口形貌Fig.4Fracture morphology of the infiltrated sample圖5擠壓試樣斷口形貌Fig.5Fracture morphology of extruded sample微觀上可以觀察到大量的細小韌窩和撕裂棱,鋁合金基體以撕裂型破壞為主,可明顯見到斷裂過程中留下的裂紋。造成兩者斷口形貌區(qū)別的主要原因與顆粒的分布密切相關。由前述光學顯微組織觀察可知,熔滲試樣中存在顆粒富集區(qū)和貧化區(qū)。以往對亞微米級鋁基復合材料研究發(fā)現(xiàn),裂紋萌生于近界面基體中并在基體中擴展,亞微米級顆粒對裂紋的擴展阻力較小,往往以顆?！凹瘓F”的形式阻礙裂紋擴展并使

13、裂紋繞過,從而對基體起到增強的作用。因此,熔滲試樣中的顆粒富集區(qū)能夠有效的阻礙裂紋的擴展,而顆粒貧化區(qū)卻為裂紋的擴展提供了通道,不能使顆粒的增強作用得到充分發(fā)揮。但是,經(jīng)過熱擠壓變形能有效地促進顆粒在基體中的均勻分布,提高了復合材料的組織致密度,從而能夠提高復合材048鑄造技術08/2006鄭晶等:熱擠壓變形對Al2Si復合材料組織性能的影響料的抗拉強度(見表1。另外,經(jīng)17.31.0擠壓比的熱擠壓后,Al2Si復合材料中的致密度提高,同時也對提高Al2Si復合材料的抗拉強度起到很大的促進作用。表1為Al2Si復合材料擠壓試樣力學性能與熔滲試樣力學性能比較。表1Al2Si復合材料擠壓試樣與熔滲

14、試樣的力學性能比較Tab.1Comparison of mechanical properties of Al2Si composites between extruded samples andinfiltrated samples試樣b/MPa0.02/MPa(% Z L102(Y215115 1.83結(jié)論(1通過金相組織分析和斷口觀察,壓力熔滲Al2 Si復合材料中仍存在許多孔隙和Si顆粒增強相分布不均勻等缺陷。經(jīng)熱擠壓后,復合材料中Si增強顆粒得到了細化,Si顆粒的分布趨于均勻。(2與單純?nèi)蹪B材料相比,熱擠壓后的Al2Si復合材料抗拉強度、屈服強度均有較大幅度的提高,這與熱擠壓變形后的

15、組織均勻性改善及基體強化等因素有關。參考文獻1Lloyd D J.Particle reinforced aluminum and magnesiummatrix compositesJ.Int lvbt Rev,1994,39(1:1223. 2Mangin C,Isaacs J A,Clark J P.MMCs for automotiveengine applicationsJ.J OM,1996,48(2:49251.3栗佰峰,姜龍濤,孔海寬,等.熱擠壓變形對亞微米Al2O3p/Al復合材料組織性能的影響J.中國有色金屬學報.2003,13(2:3732376.4Murty S V S

16、 N,Rao B N.Instability map for hot workingof6061Al210vol%Al2O3metal matrix compositeJ.JPhys D,1998,31(22:330623311.5秦蜀煞,張國定.改善顆粒增強金屬基復合材料塑性和韌性的途徑與機制J.中國有色金屬學報,2000,10(5: 6212629.舉辦新材料、新技術“消失模鑄造”關鍵生產(chǎn)技術培訓班的通知為了適應中國新世紀制造業(yè)發(fā)展的新形勢及新技術發(fā)展的需要,浙江省華龍職業(yè)技術學校與南京航天航空大學材料學院和西安理工大學聯(lián)合舉辦“消失模鑄造”關鍵技術培訓班,作為新材料、新工藝的學習研討。參加培訓考試合格者,將頒發(fā)國家技術結(jié)業(yè)證書。11培訓對象(1