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1、收稿日期:2007210214;修订日期:2007212206基金项目:中国博士后基金资助(20060391005)作者简介:金志新(19812),黑龙江省大庆人,硕士生.主要从事镁基复合材料制备工艺的研究.Vol.29 No.1Jan.2008铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGY保温时间对Al2O3f/AZ91D复合材料抗拉强度的影响金志新1,王武孝1,2,袁 森1,韩 昶1,亢春生1,董志乔1(1.西安理工大学材料科学与工程学院,陕西 西安710048;2.西安交通大学材料科学与工程学院,陕西 西安710049)摘要:采用熔体浸渗法制备了Al2O3f/AZ91D复合材料,并利用光学
2、显微镜、SEM、XRD等手段对其成分、组织及保温时间与抗拉强度之间的关系进行了研究。结果表明,Al2O3f/AZ91D复合材料组织中有硬脆相Mg2Si生成;保温40 min时复合材料的抗拉强度较基体合金略有增强;随着保温时间的延长,材料组织中的Mg2Si相大量增加,从而使复合材料的抗拉强度下降。关键词:Al2O3f/AZ91D复合材料;保温时间;抗拉强度中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:100028365(2008)0120033204Effect of Holding Time on Tensile Strength of Al2O3f/AZ91D Comp ositeJIN
3、 Zhi2xin1,WANG Wu2xiao1,2,YUAN Sen1,HAN Chang1,KANG Chun2sheng1,DONG Zhi2qiao1(1.School of Materials Science and Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,China;2.Schoolof Materials Science and Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:Al2O3f/AZ91D composite was pre
4、pared by using the method of melt infiltration,itscomposition andmicrostructurewasanalyzedbyOpticalmicroscope,ScanningElectronicMicroscope and X2ray Diffraction,and the relationship between the holding time and tensile strengthof Al2O3f/AZ91D was studied systematically.The results show that there ar
5、e hard brittle Mg2Siphases in the microstructure of Al2O3f/AZ91D.When the holding time is 40 min,compared withAZ91D alloy,the tensile strength of Al2O3f/AZ91D increases slightly.With an increase of holdingtime,the tensile strength of the composite decreases because a large number of Mg2Si phases for
6、min the microstructure.Key w ords:Al2O3f/AZ91D composites;Holding time;Tensile strength 镁合金具有质量轻、比强度高、切削性能好、振动衰减系数大13、资源丰富等优点,被誉为21世纪最有发展前景的“绿色”工程材料。目前应用主要集中在汽车零部件和3C产品壳体上,可以有效减轻汽车自重,降低燃油消耗,减少CO2的排放量,适应环保要求。AZ91D镁合金由于具有较高的强度和良好的铸造性能,成为铸造镁合金中应用最为广泛的合金4,5。然而镁合金较低的强度和较差的高温性能限制了它的进一步应用。而镁基复合材料具有更高的比强度、比
7、刚度,同时还具有较好的耐磨性、耐高温性能6。氧化铝纤维不仅具有较高的抗拉强度(最高可达3.2 GPa),而且还有超群的抗高温、耐腐蚀、低变形、热导率小、空隙率低等优点,其原料易于得到,相对于碳化硅和碳纤维等商品无机纤维的成本低得多7,用氧化铝纤维增强的镁铝基复合材料具有良好的力学性能8。本试验采用熔体浸渗法在不同的保温时间下制备了Al2O3f/AZ91D复合材料,并用万能力学试验机测试复合材料的抗拉强度,分析保温时间对于材料抗拉强度的影响规律。1 实验方法1.1 实验材料实验采用的基体合金为AZ91D镁合金,合金成分w为:8.95%Al,0.632%Zn,0.261%Mn,0.022%Si,0
8、.000 3%Fe,0.001 8%Cu,0.000 5%Ni,其余为Mg。增强体选用洛阳耐火材料研究所生产的氧化铝纤维,其物理性能见表1。造孔剂选用颗粒度为30m的石墨粉,粘结剂选用硅溶胶,其SiO2含量为25%30%。1.2 试样制备首先利用湿法制备纤维体积分数为20vol%的预制体,将一定体积的酒精与纤维混合并搅拌,随后加入定量的造孔剂和粘结剂,继续搅拌混合至均匀,而后倒33FOUNDRY TECHNOLOGYVol.29 No.1Jan.2008表1Al2O3纤维物理性能Tab.1Physics properties of alumina fiber纤维成分w(%)堆积密度/(kg/m
9、3)工作温度/直径/mAl2O3Al2O380Al2O3+SiO29930501 500310入模具并压制成 48 mm90 mm的圆柱形预制体毛坯,经烘干、焙烧得到具有一定强度及孔隙率的预制体。再将制备好的预制体置于钢质熔渗坩埚底部,将经打磨去除了氧化皮的AZ91D合金置于其上,在气氛保护下,于650 进行材料的合成,分别按照40、60、80、100、120 min 5种保温时间制得Al2O3f/AZ91D复合材料毛坯。最后根据国标GB6397286金属拉伸试验试样 加工拉伸试棒,工作部分为 8 mm40 mm的圆柱体。1.3 实验检测对材料做拉伸试验,采用国产HT22402电脑控制材料试验
10、机,加载速度为1 mm/min,全部试验在室温(25)下进行。各试验数据为3次测试的平均值。根据要求取样,经粗磨、细磨、粗抛和精抛制备成金相试样。在GX71型奥林巴斯金相显微镜上观察复合材料的显微组织,利用日本JSM26700F扫描电子显微镜(SEM)对试样进行观察及区域能谱分析,材料的物相分析采用XRD27000型X射线衍射仪,最后在AMRA Y2100B扫描电子显微镜上观察拉伸试样断口的微观形貌。2 实验结果及分析2.1 复合材料的组织分析图1为复合材料试样在不同保温时间制备条件下的显微组织。图中呈黑色长棒状或圆点状形态的是氧化铝纤维,白色组织是未腐蚀的AZ91D基体,可以看出,除了氧化铝
11、纤维比较均匀的分布在基体中,还可以看到一种灰色的组织,且保温时间为40 min时,这种灰色相最少,几乎看不到,随着保温时间的延长,这种灰色组织逐渐变多变大,并在较大范围内出现富集,最终形成团聚的较大的块状结构。图1 不同保温时间下的复合材料试样显微组织Fig.1Microstructure of composites with different holding time 为了确定灰色相的成分,对Al2O3f/AZ91D复合材料试样进行背反射分析,其图片见图2,可以看出,在纤维增强体附近存在形状较为规则的多边形白色块状相,大小不一,该相与图1中在金相显微镜下拍摄到的灰色相相对应。通过背反射照片
12、可以看出白色块状相的成分与周围组织有明显的差别。对白色相区域进行能谱分析,其结果如图3所示。可以看出,该相存在大量的Mg和Si元素。为了进一步确定灰色相的相结构,利用XRD对试样进行物相分析,结果如图4所示。图中除了铸造AZ91D合金的 2Mg和 2Mg17Al12相出现的峰外,还能看到Al2O3、Mg2Si和MgO相的峰,根据以上物相分析可知该灰色块状区域应为Mg2Si相。预制体中的氧化铝纤维和硅溶胶均含有SiO2成分,在熔渗过程中,液态镁具有很强的还原性,由热力学分析可知,在650(923 K)条件下可以与SiO2发生以下反应9:2Mg+SiO2=2MgO+SiG923K=-622 85.
13、8 kJmol-1(1)2Mg+Si=Mg2Si43铸造技术01/2008金志新等:保温时间对Al2O3f/AZ91D复合材料抗拉强度的影响图2Al2O3f/AZ91D复合材料的背反射图片Fig.2Backscattered picture of Al2O3f/AZ91D composites图3 图2中白色块状相能谱成分分析Fig.3EDS analysis of white phase in the figure 2图4Al2O3f/AZ91D复合材料的XRD分析Fig.4XRD analysis of Al2O3f/AZ91D compositesG923K=-15 323.8 kJmo
14、l-1(2)4Mg+SiO2=Mg2Si+2MgOG923K=-846 24.4 kJmol-1(3)分析以上3个方程式的热力学焓变,可知SiO2的存在可以使复合材料中出现Mg2Si硬脆相。2.2 材料的抗拉强度图5为保温时间与材料抗拉强度的关系曲线。从图中可以看出,在保温时间为40 min时,复合材料的抗拉强度较基体合金(AZ91D的抗拉强度为161.71 MPa)略有增强。保温时间再延长,复合材料的抗拉强度就开始下降,这是因为保温时间的延长,产生的Mg2Si相越来越多,使得强度有所下降。熔融镁具有很强的还原性,能够将SiO2还原为单质硅,单质硅又与液态镁进一步反应生成Mg2Si相。Mg2S
15、i相生长依靠单质硅扩散,被还原的单质硅通过原子扩散机制10穿过形成的氧化镁层与熔融镁反应,保温时间越长,透过氧化镁层的硅越多,熔融态镁与单质硅反应也越充分,使得Mg2Si相含量越多,夹杂于基体中。Mg2Si相为硬脆相,弹性模量远大于基体材料。熔融态合金对硬脆相没有完全润湿,在冷却过程中接触界面容易产生微裂纹和应力集中的裂纹源。拉伸时,在拉应力作用下,纤维先发生断裂,随后应力传输到基体上,在基体存在裂纹的部位,裂纹尖端的应力集中极易达到基体材料的断裂强度,使裂纹开动。如果纤维含量较大,且沿拉应力方向排列紧密时,承受应力的纤维相对较多,可以显著提高复合材料的抗拉强度。但是,在预制体的制备过程中,纤
16、维排列分布不规则。宏观上看,纤维呈现“缨束状”,这种纤维的排列方式不利于材料抗拉强度的提高。局部区域上看,部分纤维“折叠状”分布,有利于提高材料的抗拉强度。但是,拉应力在拉伸试验过程中均匀地分布于整个试样上,局部区域具有高的抗拉强度并不能提高试样的整体抗拉强度。在试样的其他部位存在裂纹源或者铸造缺陷,比如气孔等,都是降低抗拉强度的因素。总之,较长保温时间使得基体中产生过多的硬脆相,硬脆相周围总是存在大量位错和孔洞缺陷,一旦裂纹扩展到另外一个裂纹源时就会使得应力叠加,促进大裂纹开动,从而显著降低了复合材料的抗拉强度。图5 复合材料的抗拉强度随着保温时间变化的关系曲线Fig.5Relationsh
17、ip curve of tensile strength and holding time另外,由于纤维破损比较严重,使得纤维的有效长度减小,力学增强作用减弱,这也是复合材料强度较低的重要原因之一11。图6为复合材料基体的断口形貌。可以看出,基体材料断裂呈现出明显的“冰糖状”特征,可以判断其为脆性断裂,而且断裂往往发生在纤维附近,这是因为纤维附近存在有大量反应生成的硬脆相,该硬脆相与基体材料结合不牢固,很容易在应力作用下与基体材料分离。基体材料为镁合金,在断裂过程中容易发生准解理断裂特征,能存在一定的韧度,但在断口中看不到任何韧度53FOUNDRY TECHNOLOGYVol.29 No.1J
18、an.2008特征,即图中表现为解理断裂,这进一步证实了纤维间析出的硬脆相显著降低了材料的抗拉性能。图6 复合材料基体断口扫描电镜图片Fig.6SEM microscope picture of fracture3 结论(1)由于材料合成过程中有SiO2存在,复合材料中有Mg2Si硬脆相生成。当保温时间为40 min时,该相的量最少,随着保温时间的延长,Mg2Si相逐渐变大变多,并在较大范围内出现富集,当保温时间增加到120 min时,Mg2Si相形成团聚的较大的块状结构。(2)在保温时间为40 min时,复合材料的抗拉强度较基体合金略有增强。但随着保温时间的延长,复合材料的抗拉强度开始下降,
19、当保温时间延长至120 min时,材料强度很低。结合断口分析可知,Mg2Si硬脆相的大量增加是强度降低的主要原因。参考文献1L IU zheng,WAN G Zhongguang,L I Feng,et al.DevelopmentTrends ofResearch and Application ofMagnesium Alloys J.Chinese Journal of MaterialsResearch,2000,14(5):4492456.2Mordike B L,Ebert T.Magnesium Properties ApplicationsPotential J ,Mater.
20、Sci.and Eng.,2001,A 302:37241.3W ANG Qudong,LU Yizhen,Zeng Xiaoqin,et al.Study onthe Fluidity of AZ91+RE Magnesium Alloy J.Mater.Sci.and Eng.,1999,A271:1092114.4Lee S,Hyuk S,Kim D H.Effect of Y,Sr and Ndadditionsonthemicrostructureandmicrofracturemechanism ofsqueeze2castAZ912X magnesium alloysJ.Meta
21、llurgical and Materials Transactions A,1998,29A(4):1 22121 235.5Lv Yizhen,Wang Qudong,Zeng Xiaoqin.Effects of rareearths on the microstructure,properties and fracturebehavior ofMg2Alalloys J.MaterialsScience&Engineering,2000,A278:66276.6Si2Yong Chang,Sung Jun Cho,Sung2Kil Hong,et al.Microstructure a
22、nd tensile properties of bi2materials withmacro2interfacebetweenunreinforcedmagnesiumandcompositeJ.Journal of Alloys and Compounds,2001,316:2752280.7 陈 蓉,才鸿年.氧化铝长纤维的性能和应用J.兵器材料科学与工程,2001,24(4):70272.8V Sklenicka,M Svoboda,M Pahutova,et al.MicrostructuralprocessesincreepofanAZ91magnesium2basedcomposi
23、te and its matrix alloy J.Materials Science andEngineering.2001,A3192321:7412745.9 陈 晓,傅高升,钱匡武,等.原位反应自生MgO/Mg2Si增强镁基复合材料的热力学和动力学研究J.铸造技术,2003,24(4):3212323.10B Hallstedt,Z K Liu,J Agren.Fibre2Matrix interactionsduring fabrication of Al2O32Mg metal matrix compositesJ.Materials Science and Engineering
24、,1990,A129:1352145.11 权高峰,柴东朗,宋余九.氧化铝短纤维增强铝基复合材料的组织与性能J.金属热处理学报,1995,16(4):65267.企业介绍任丘现代模具 铸造美好未来企业理念:质量为本 信誉为根 共赢发展主要产品:消失模铸造模型模具失蜡精密铸造模具产品用途:消失模铸造泡沫模型和精密铸造蜡型的生产制作技术力量:高素质工程技师百余人 精密加工设备60台套特富龙模具喷涂工艺提供图纸设计、加工制造、试摸打样和技术指导产品特点:模具精度高、强度大、受热均匀、能耗低、寿命长服务优良:为客户提供多方位的支持和优质便捷的售后服务任丘市现代模具有限公司地址:062561 河北省任丘市梁召镇娄子工业区电话:0317-33184563319999传真:0317-3318588联系人:代亚坤(经理)13503277396电子邮件:rqxdmj 公司网站:阿里旺铺:http:/63