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原位生成TiB_2Al-Si-Mg復合材料的組織與性能

技術應用 | 來源:本網 | 發布日期:2018-04-02 查看次數:1697

核心提示:  原位生成TiB2/Al-Si-Mg復合材料的組織與性能①韓延峰,劉相法,邊秀房(山東大學材料液態結構及其遺傳性教育部重點。熔體處于液態時,由于TiB2粒子尺寸細小,根據Stoks公式可知,TiB2

  原位生成TiB2/Al-Si-Mg復合材料的組織與性能①韓延峰,劉相法,邊秀房(山東大學材料液態結構及其遺傳性教育部重點。熔體處于液態時,由于TiB2粒子尺寸細小,根據Stoks公式可知,TiB2粒子在幾個小時內將均勻地懸浮在熔體中。當凝固開始后,由于Sr的作用將使a(Al)作為先析相先行析出。而TiB2粒子和合金熔體熱傳導系數之比Kp/Km< 1,根據Zubko的研究以及TiB2表面未能形成富Ti層,此時大量的TiB2粒子將被所“吞食”。由于a(Al)的析出,界面前沿的熔體將由近共晶成分變為過共晶成分,隨后結晶時就會出現一些初晶Si,使得被“排出”的TiB2粒子與其交織在一起(如(b))。而對于大量處于共晶區TiB2粒子被排出到凝固界面前沿后,必然會對Al和Si的雙向擴散產生阻礙作用,從而使a(Al)的生長受到“阻擋”,使得原先較粗大的a(Al)得到細化,如所示。TiB2粒子之所以能引起a(Al)細化,不排除一部分TiB2粒子所起的異質核心的作用,但作者認為最重要的原因是TiB2粒子的“阻擋”作用。隨著TiB2粒子數量增加,其引起的“阻擋”作用越大,a(Al)的細化程度也越顯著;而且a(Al)與共晶區的界面變得凹凸不平,這從一個側面證明了作者觀點是合理的。隨著組織中共晶區的擴大,TiB2粒子在整個組織中的分布更加彌散和均勻,這正是作者選擇近共晶成分Al-Si-Mg合金的另一個重要原因。

  2.2.2熱處理(T6)對復合材料微觀組織的影響由于TiB2粒子的存在,使得熱處理對復合材料的微觀組織產生巨大的影響,如所示。熱處理前呈連續棒狀的共晶Si,在熱處理后變為孤立的顆粒狀,這為共晶Si的球化處理提供了一種新思路。鑄態下共晶Si的平面形貌為連續的棒狀,其立體形貌為珊瑚狀,本身就存在很多薄弱區域如分枝的根部等。又由于TiB2粒子的存在,共晶Si的生長也會受到它的阻擋,從而使共晶Si表面變得更加凸凹不平,存在的薄弱區域增加。在熱處理的加熱、保溫階段,薄弱區域的共晶Si就會溶解固溶到基體中,從而使共晶Si發生解離,從原先的連續棒狀變為孤立顆粒狀,而固溶到基體中的Si在隨后的時效過程中也會以顆粒狀析出。

  2.復合材料的力學性能2.3.1鑄態復合材料的力學性能TiB2粒子的存在必然會對材料的力學性能產生一定的影響,其影響如所示。從中可以看出,TiB2粒子可顯著提高復合材料的室溫抗拉強度,且隨著TiB2粒子含量的增加,提高幅度也隨之加大。當TiB2粒子含量為6%時,TiB2/ZL104復合材料的室溫抗拉強度外可達296MPa,比基體強度270MPa提高了14.7%.在抗拉強度提高的同時,材料的延伸率不僅沒有下降,反而呈提高的趨勢,這可從所示的試樣斷口由韌窩組成這一事實得以證明。

  TiB2粒子之所以能提高材料的強度,首先是由于材料受載時,位錯與TiB2粒子相互作用所產生的彌散強化。另一個原因是由于TiB2粒子和基體的熱膨脹系數的差異,在TiB2粒子周圍產生大量的附加位錯,從而引起抗拉強度大幅度提高。如上所述TiB2粒子引起(Al)的細化使晶粒尺寸減小。根據Hall-Petch公式(式(3)),可見細晶強化是一種重要的強化機制。

  當于單晶體金屬的屈服強度;d為各晶粒的平均直徑;K為表征晶界對強度影響程度的常數。

  復合材料在強度提高的同時,塑性和韌性反而略有提高。其原因主要是晶粒細化引起材料塑韌性的改善,以及TiB2粒子引起的組織織中共晶Si及其自身的均勻化。這兩方面對塑韌性的改善抵消了由于TiB2粒子存在所引起的韌性下降,就使得材料的延伸率略有提高。

  2.3.2熱處理對復合材料力學性能的影響熱處理對復合材料微觀組織的改變必會對材料的力學性能產生影響,如所示。從圖中可以發現熱處理可使6%TiB2/ZL104復合材料的室溫抗拉強度由原先的296MPa提高至386MPa提高幅度達30%而且延伸率仍為5%.強度提高幅度如此之大,主要原因是固溶共晶Si在基體上的析出以及時效時大量第二相的彌散析出。而延伸率仍保持在塑性范圍,這主要是由于原先呈連續棒狀的共晶Si變為孤立顆粒狀,從而引起對復合材料塑性和韌性的改善。

  3結論原位生成的TiB2粒子呈細小等軸狀,尺寸都小于Lum,大多數TiB2粒子均勻分布在共晶組織中,與共晶Si交織在一起,而在a(Al)中只有少量的TiB2粒子。熔體凝固時,大量的TiB2粒子被排出到凝固前沿,其對(Al)的阻擋作用使a(Al)細化,且使組織中的相分布更加均勻。

  TiB2粒子可以顯著提高復合材料的室溫抗拉強度,且隨著TiB2粒子含量的提高,強化幅度隨之增加,而且強化后的材料仍屬于塑性材料。6%TiB2/ZL104復合材料室溫抗拉強度可達296MPa比基體強度提高了14.7%,而且延伸率為5.4%.熱處理(T6)可以使鑄態下呈連續棒狀的共晶Si發生解離,變為孤立的顆粒狀,并使6%TiB2/ZL104復合材料室溫抗拉強度提高30%,達386MPa而延伸率為5%,仍屬于韌性材料。

  (中國有色金屬學報)19999(4)744-747. YANGPing(楊平)原位生成鋁基復合材料凝固組織中TiB2 QIGuang-hui(齊廣慧)。A-Si合金宏觀晶粒的尺寸突變與結構演化。ActaMetallurgicaSinica(金屬學FANGXin-xian(方信賢)熔體直接反應生成TiB2對ZL101硅相形貌及變質劑變質效果的影響SpecialCastingNonferrousAlloys(特種鑄造及有色合金),1999(編輯朱忠國)


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