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原位生成TiB_2Al-Si-Mg复合材料的组织与性能

技术应用 | 来源:本网 | 发布日期:2018-04-02 查看次数:1400

核心提示:  原位生成TiB2/Al-Si-Mg复合材料的组织与性能①韩延峰,刘相法,边秀房(山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点。熔体处于液态时,由于TiB2粒子尺寸细小,根据Stoks公式可知,TiB2

  原位生成TiB2/Al-Si-Mg复合材料的组织与性能①韩延峰,刘相法,边秀房(山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点。熔体处于液态时,由于TiB2粒子尺寸细小,根据Stoks公式可知,TiB2粒子在几个小时内将均匀地悬浮在熔体中。当凝固开始后,由于Sr的作用将使a(Al)作为先析相先行析出。而TiB2粒子和合金熔体热传导系数之比Kp/Km< 1,根据Zubko的研究以及TiB2表面未能形成富Ti层,此时大量的TiB2粒子将被所“吞食”。由于a(Al)的析出,界面前沿的熔体将由近共晶成分变为过共晶成分,随后结晶时就会出现一些初晶Si,使得被“排出”的TiB2粒子与其交织在一起(如(b))。而对于大量处于共晶区TiB2粒子被排出到凝固界面前沿后,必然会对Al和Si的双向扩散产生阻碍作用,从而使a(Al)的生长受到“阻挡”,使得原先较粗大的a(Al)得到细化,如所示。TiB2粒子之所以能引起a(Al)细化,不排除一部分TiB2粒子所起的异质核心的作用,但作者认为最重要的原因是TiB2粒子的“阻挡”作用。随着TiB2粒子数量增加,其引起的“阻挡”作用越大,a(Al)的细化程度也越显著;而且a(Al)与共晶区的界面变得凹凸不平,这从一个侧面证明了作者观点是合理的。随着组织中共晶区的扩大,TiB2粒子在整个组织中的分布更加弥散和均匀,这正是作者选择近共晶成分Al-Si-Mg合金的另一个重要原因。

  2.2.2热处理(T6)对复合材料微观组织的影响由于TiB2粒子的存在,使得热处理对复合材料的微观组织产生巨大的影响,如所示。热处理前呈连续棒状的共晶Si,在热处理后变为孤立的颗粒状,这为共晶Si的球化处理提供了一种新思路。铸态下共晶Si的平面形貌为连续的棒状,其立体形貌为珊瑚状,本身就存在很多薄弱区域如分枝的根部等。又由于TiB2粒子的存在,共晶Si的生长也会受到它的阻挡,从而使共晶Si表面变得更加凸凹不平,存在的薄弱区域增加。在热处理的加热、保温阶段,薄弱区域的共晶Si就会溶解固溶到基体中,从而使共晶Si发生解离,从原先的连续棒状变为孤立颗粒状,而固溶到基体中的Si在随后的时效过程中也会以颗粒状析出。

  2.复合材料的力学性能2.3.1铸态复合材料的力学性能TiB2粒子的存在必然会对材料的力学性能产生一定的影响,其影响如所示。从中可以看出,TiB2粒子可显著提高复合材料的室温抗拉强度,且随着TiB2粒子含量的增加,提高幅度也随之加大。当TiB2粒子含量为6%时,TiB2/ZL104复合材料的室温抗拉强度外可达296MPa,比基体强度270MPa提高了14.7%.在抗拉强度提高的同时,材料的延伸率不仅没有下降,反而呈提高的趋势,这可从所示的试样断口由韧窝组成这一事实得以证明。

  TiB2粒子之所以能提高材料的强度,首先是由于材料受载时,位错与TiB2粒子相互作用所产生的弥散强化。另一个原因是由于TiB2粒子和基体的热膨胀系数的差异,在TiB2粒子周围产生大量的附加位错,从而引起抗拉强度大幅度提高。如上所述TiB2粒子引起(Al)的细化使晶粒尺寸减小。根据Hall-Petch公式(式(3)),可见细晶强化是一种重要的强化机制。

  当于单晶体金属的屈服强度;d为各晶粒的平均直径;K为表征晶界对强度影响程度的常数。

  复合材料在强度提高的同时,塑性和韧性反而略有提高。其原因主要是晶粒细化引起材料塑韧性的改善,以及TiB2粒子引起的组织织中共晶Si及其自身的均匀化。这两方面对塑韧性的改善抵消了由于TiB2粒子存在所引起的韧性下降,就使得材料的延伸率略有提高。

  2.3.2热处理对复合材料力学性能的影响热处理对复合材料微观组织的改变必会对材料的力学性能产生影响,如所示。从图中可以发现热处理可使6%TiB2/ZL104复合材料的室温抗拉强度由原先的296MPa提高至386MPa提高幅度达30%而且延伸率仍为5%.强度提高幅度如此之大,主要原因是固溶共晶Si在基体上的析出以及时效时大量第二相的弥散析出。而延伸率仍保持在塑性范围,这主要是由于原先呈连续棒状的共晶Si变为孤立颗粒状,从而引起对复合材料塑性和韧性的改善。

  3结论原位生成的TiB2粒子呈细小等轴状,尺寸都小于Lum,大多数TiB2粒子均匀分布在共晶组织中,与共晶Si交织在一起,而在a(Al)中只有少量的TiB2粒子。熔体凝固时,大量的TiB2粒子被排出到凝固前沿,其对(Al)的阻挡作用使a(Al)细化,且使组织中的相分布更加均匀。

  TiB2粒子可以显著提高复合材料的室温抗拉强度,且随着TiB2粒子含量的提高,强化幅度随之增加,而且强化后的材料仍属于塑性材料。6%TiB2/ZL104复合材料室温抗拉强度可达296MPa比基体强度提高了14.7%,而且延伸率为5.4%.热处理(T6)可以使铸态下呈连续棒状的共晶Si发生解离,变为孤立的颗粒状,并使6%TiB2/ZL104复合材料室温抗拉强度提高30%,达386MPa而延伸率为5%,仍属于韧性材料。

  (中国有色金属学报)19999(4)744-747. YANGPing(杨平)原位生成铝基复合材料凝固组织中TiB2 QIGuang-hui(齐广慧)。A-Si合金宏观晶粒的尺寸突变与结构演化。ActaMetallurgicaSinica(金属学FANGXin-xian(方信贤)熔体直接反应生成TiB2对ZL101硅相形貌及变质剂变质效果的影响SpecialCastingNonferrousAlloys(特种铸造及有色合金),1999(编辑朱忠国)


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