热挤压变形对Al_Si复合材料组织性能的影响

1、收稿日期:2006201224;修订日期:2006206223作者简介:郑晶(19802,浙江衢州人,硕士生.研究方向:铝基复合材料.Em ail :zhengorjing FOUNDR Y TECHNOLO GY热挤压变形对Al 2Si 复合材料组织性能的影响郑晶1,王智民1,王建军1,刘明华2,张冀粤1(1.西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048;2.西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055摘要:利用金相显微镜、扫描电镜和万能拉伸试验机考察了用压力熔渗法制备的粒度为5080m 的Si 颗粒增强Al 2Si 复合材料和将其进行热挤压后的显微组织及室温拉伸性能。结果表明

2、:以17.31.0的挤压比热挤压后复合材料组织的均匀性得到了明显改善;复合材料挤压材的抗拉强度、屈服强度和伸长率较压渗材普遍提高;热挤压没有改变复合材料的断裂机制,由于挤压后颗粒分布均匀等原因,使复合材料的塑性得到改善。关键词:热挤压变形;Si/Al 基复合材料;显微组织;力学性能中图分类号:TB331文献标识码:A 文章编号: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近年来,金属基复合材

7、料(MMCs 的研究和开发均取得了较大进展,其中陶瓷颗粒增强轻金属(Al ,Mg ,Ti 基复合材料由于低成本、高模量、高强度、高耐磨性、易于制造等优点1,在航天航空工业、汽车工业及其它产业中展现了很好的应用前景2。美、日等国已成功地将其应用于汽车活塞、连杆和制动盘零部件等民用领域,其批量生产取得了显著的经济效益和社会效益。塑性成形是颗粒增强金属基复合材料应用中的重要技术3,热挤压是金属基复合材料塑性成形常用的手段之一,可以改善颗粒增强金属基复合材料的微观组织,提高力学性能4,5。因此,作者对Si 颗粒体积分数为30%的Al 2Si 复合材料进行了热挤压实验,旨在研究热挤压对其微观组织和力学性

8、能的影响,为解决复合材料的塑性成形问题提供技术依据。1实验方法实验用材料为市售200目铝、硅粉(粒度在5080m 和ZL102(含硅12wt %左右。采用压力熔渗法制备Al 2Si 复合材料。熔渗所得Al 2Si 复合材料在420450以17.31.0的挤压比进行热挤压变形,挤压筒直径为 50mm ,挤压模为单孔圆模,挤压速率为0.40.6mm/s ,复合材料的预热温度为440480。压力熔渗和经热挤压制备的Al 2Si 复合材料样品先用水磨砂纸粗磨,再用金相砂纸细磨,最后在P 22型抛光机上机械抛光,直到无任何划痕为止。金相试样制备好后,立即进行浸蚀。浸蚀剂为0.5wt %氢氟酸水溶液试剂。

9、浸蚀后即可在金相显微镜下进行组织观察并有选择的照相。所用金相显微镜为N EO 2P HO T 221大型卧式金相显微镜。扫描电镜分析在J SM 26700F 型扫描电镜上进行。主要观察材料的微观组织、第二相的形态、大小及分布。拉伸试验在938CCS 2220型电子万能拉伸试验机上进行,加载速率为0.5mm/min 。图1为复合材料拉伸试样尺寸。 图1复合材料拉伸试样Fig.1Tensile sample of composite2结果与分析2.1金相组织在本次挤压实验中,采用挤压比=17.3来研究挤压变形程度对合金组织和性能的影响。 图2和图3为合金试样在挤压与不挤压状态下的金相显微组织。 图

10、2未挤压合金的金相组织Fig.2Microstructure before extrusion图3挤压态合金的金相组织Fig.3Microstructure after extrusion从图中可以看出,挤压变形对合金的组织有着较大的影响。与压力熔渗态组织相比,经过热挤压变形后复合材料的Si 颗粒组织明显变小、变均匀。图2照片上显示的明亮区域为颗粒贫乏区,较暗的区域为颗粒富集区,这种状况的形成是由于在压力熔渗制备Al 2Si 复合材料过程中,压力对颗粒团族推斥作用引起的。因此从微观上看,在复合材料中存在较明显的分布不均匀的状况。经热挤压后颗粒分布趋于均匀,熔渗材中的“岛状团聚”明显减少。材料内

11、部的颗粒尺寸明显减小而且大小比较均匀。过共晶Al 2Si 合金虽然是一种优良的耐磨材料,但其铸态组织由初生Si 、2Al 和共晶组织组成,而且初生Si 的尺寸较大,形状多为片状或五花瓣状,所以常规凝固的过共晶Al 2Si 合金的应用受到极大的限制。经过挤压工艺,在Al 2Si 复合材料中,过共晶Al 2Si 合金的组织中只有初生Si 和基体2Al 相组成,而且初生Si 基本都为团块状,在2Al 基体中分布均匀,初生Si 比常规凝固的初生Si 要细小得多。2.2拉伸力学性能图4和图5分别为Al 2Si 复合材料熔渗试样和熔渗后挤压试样拉伸断口SEM 照片。两者没有明显的颈缩现象,在宏观上皆呈脆性

12、平断口特征。图4熔渗试样断口形貌Fig.4Fracture morphology of the infiltrated sample图5挤压试样断口形貌Fig.5Fracture morphology of extruded sample微观上可以观察到大量的细小韧窝和撕裂棱,铝合金基体以撕裂型破坏为主,可明显见到断裂过程中留下的裂纹。造成两者断口形貌区别的主要原因与颗粒的分布密切相关。由前述光学显微组织观察可知,熔渗试样中存在颗粒富集区和贫化区。以往对亚微米级铝基复合材料研究发现,裂纹萌生于近界面基体中并在基体中扩展,亚微米级颗粒对裂纹的扩展阻力较小,往往以颗粒“集团”的形式阻碍裂纹扩展并使

13、裂纹绕过,从而对基体起到增强的作用。因此,熔渗试样中的颗粒富集区能够有效的阻碍裂纹的扩展,而颗粒贫化区却为裂纹的扩展提供了通道,不能使颗粒的增强作用得到充分发挥。但是,经过热挤压变形能有效地促进颗粒在基体中的均匀分布,提高了复合材料的组织致密度,从而能够提高复合材048铸造技术08/2006郑晶等:热挤压变形对Al2Si复合材料组织性能的影响料的抗拉强度(见表1。另外,经17.31.0挤压比的热挤压后,Al2Si复合材料中的致密度提高,同时也对提高Al2Si复合材料的抗拉强度起到很大的促进作用。表1为Al2Si复合材料挤压试样力学性能与熔渗试样力学性能比较。表1Al2Si复合材料挤压试样与熔渗

14、试样的力学性能比较Tab.1Comparison of mechanical properties of Al2Si composites between extruded samples andinfiltrated samples试样b/MPa0.02/MPa(% Z L102(Y215115 1.83结论(1通过金相组织分析和断口观察,压力熔渗Al2 Si复合材料中仍存在许多孔隙和Si颗粒增强相分布不均匀等缺陷。经热挤压后,复合材料中Si增强颗粒得到了细化,Si颗粒的分布趋于均匀。(2与单纯熔渗材料相比,热挤压后的Al2Si复合材料抗拉强度、屈服强度均有较大幅度的提高,这与热挤压变形后的

15、组织均匀性改善及基体强化等因素有关。参考文献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,姜龙涛,孔海宽,等.热挤压变形对亚微米Al2O3p/Al复合材料组织性能的影响J.中国有色金属学报.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,张国定.改善颗粒增强金属基复合材料塑性和韧性的途径与机制J.中国有色金属学报,2000,10(5: 6212629.举办新材料、新技术“消失模铸造”关键生产技术培训班的通知为了适应中国新世纪制造业发展的新形势及新技术发展的需要,浙江省华龙职业技术学校与南京航天航空大学材料学院和西安理工大学联合举办“消失模铸造”关键技术培训班,作为新材料、新工艺的学习研讨。参加培训考试合格者,将颁发国家技术结业证书。11培训对象(1