TiB2增強(qiáng)Al-18%Si復(fù)合材料的硬度測(cè)試與斷口分析

張保林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

TiB2增強(qiáng)Al-18%Si復(fù)合材料的硬度測(cè)試與斷口分析

張保林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

將KFB4與TiO2混合后加入Al-18%Si熔體，通過(guò)熔體直接反應(yīng)方法，制備出TiB2/Al-18%Si顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，并測(cè)試其硬度，分析其斷口形貌，探討斷裂機(jī)制。結(jié)果表明：TiB2/Al-18%Si硬度比Al-18%Si的硬度增加了39.7%，抗拉強(qiáng)度增加了31.2%，其斷口屬于混合斷裂。

復(fù)合材料；硬度測(cè)試；斷口分析

0 引言

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是將陶瓷顆粒增強(qiáng)相外加或自生進(jìn)入鋁基體中得到兼有鋁優(yōu)點(diǎn)（韌性和塑性好）和增強(qiáng)顆粒優(yōu)點(diǎn)（高硬度和高模量）的復(fù)合材料[1]，其常用的制備方法是混合鹽原位反應(yīng)法。本文以成本更低廉的TiO2代替K2TiF6，與KFB4混合一起加入過(guò)共晶Al-18%Si合金當(dāng)中，采用熔體直接反應(yīng)制備出TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料，同時(shí)測(cè)試它的硬度，并且簡(jiǎn)要分析了其斷裂機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

在熔煉爐內(nèi)，將配制好的Al-18%Si基體合金加熱到1 000 ℃，保溫10 min后，加入球磨后KFB4和工業(yè)純TiO2混合粉末壓塊，快速用石墨棒攪拌，使粉末壓塊與鋁合金熔體發(fā)生原位反應(yīng)。在反應(yīng)完成后，當(dāng)熔體溫度降至760 ℃時(shí)加入精煉劑和變質(zhì)劑，靜置20 min，再扒去熔渣，溫度降至750 ℃時(shí)出爐澆注到金屬模型后制樣進(jìn)行測(cè)試分析。表1為試驗(yàn)材料的物理性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

原位制備的鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)相的形狀、尺寸和空間分布在很大程度上影響復(fù)合材料的整體力學(xué)性能[2]。

表1 試驗(yàn)材料物理性能

2.1 TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料組織分析

從圖1可以看出，復(fù)合材料中反應(yīng)生成的白色細(xì)小顆粒為TiB2，其尺寸基本小于1.0 μm，呈不規(guī)則多邊形，大多數(shù)均勻彌散分布在基體中。但是，從表1數(shù)據(jù)可知，鋁合金的密度與TiB2的密度相差較大，因此，原位生成的TiB2顆粒易產(chǎn)生沉降而形成局部團(tuán)聚。同時(shí)由于TiB2顆粒尺寸細(xì)小，其表面能較大，在鑄造條件下容易通過(guò)團(tuán)聚來(lái)降低自身表面能。

圖1 TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料的SEM

為了減少TiB2顆粒的局部團(tuán)聚現(xiàn)象，試驗(yàn)中可以采用提高反應(yīng)溫度、分批加混合物壓塊，快速攪拌等工藝措施。

2.2 TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料硬度測(cè)試分析

用布氏硬度測(cè)試方法測(cè)試 TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料和Al-18%Si的硬度值。測(cè)試時(shí)，對(duì)基體合金和制備的復(fù)合材料試樣每個(gè)取6個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為該材料的硬度值。表2為所測(cè)材料的布氏硬度值（HB）。

表2 布氏硬度的測(cè)試結(jié)果 HB

從表2數(shù)據(jù)可以明顯看到，TiB2/Al-18%Si的硬度要比基體合金的硬度高，將近增加了39.7%。從增強(qiáng)機(jī)制上分析是因?yàn)樵环磻?yīng)生成的TiB2顆粒細(xì)小，并且大多數(shù)在基體內(nèi)彌散均勻分布，有效地阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，彌散強(qiáng)化了基體合金的力學(xué)性能；同時(shí)TiB2顆?？梢宰鳛楫愘|(zhì)形核核心，能細(xì)化合金晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，從而使復(fù)合材料的硬度提高。

2.3 TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料斷口分析

對(duì)TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料和Al-18%Si基體合金進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試， 所測(cè)結(jié)果見表3。

表3 TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料與基體合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率

從表3數(shù)據(jù)可知，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料比基體合金室溫抗拉強(qiáng)度增加了31.2%，韌性下降了38.9%。分析其原因在于復(fù)合材料中原位生成的高強(qiáng)度、高彈性模量的TiB2顆粒會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在增強(qiáng)顆粒TiB2周圍形成位錯(cuò)環(huán)，進(jìn)一步增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，反應(yīng)生成的增強(qiáng)顆粒TiB2越多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力就越大，使得復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度在增加，韌性下降。

（1）圖2.a為基體合金Al-18Si室溫拉伸斷口SEM，由圖可見，基體合金Al-18Si的斷口上，出現(xiàn)了河流狀花樣，為解理斷裂，屬于脆性斷裂。但是從微觀細(xì)節(jié)上，還是發(fā)現(xiàn)了有一小部分韌窩斷裂的特征。α相基體在斷裂過(guò)程中承載了大部分的塑性變形，在硅顆粒的周圍產(chǎn)生了長(zhǎng)條狀撕裂棱和韌窩，因?yàn)槭艿焦桀w粒分布的影響，韌窩的形狀不規(guī)則，數(shù)量較少，分布也不均勻[3]。因此，過(guò)共晶Al-18%Si合金的斷裂方式是一種以脆性斷裂為主的混合斷裂。

圖2 Al-18%Si合金和TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料室溫拉伸斷口SEM

（2）圖2.b為鑄態(tài)的TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料態(tài)室溫拉伸斷口SEM，由圖可見，斷口中既有韌性斷裂特征的韌窩，又有脆性斷裂特征的解理面，屬于混合斷裂，但脆性斷裂的解理面占多數(shù)。原因在于復(fù)合材料中有尺寸較大的Si顆粒和細(xì)小的TiB2顆粒，兩者尺寸相差較大，所以，斷裂形式也不相同。較大的Si顆粒周圍由于缺陷較多，容易發(fā)生解理脆性斷裂，而在細(xì)小TiB2顆粒的區(qū)域，基體容易發(fā)生塑性變形，使得TiB2顆粒周圍存在少量的撕裂棱和韌窩。但是隨著反應(yīng)生成的增強(qiáng)顆粒TiB2的增加，復(fù)合材料斷口中的韌性特征將會(huì)明顯減少[4]。因此，鑄態(tài)的TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料的斷裂方式也是混合斷裂。

通過(guò)斷裂方式分析可知，復(fù)合材料在受外力時(shí)，抗拉強(qiáng)度在穩(wěn)步提高，塑韌性并沒有急劇降低，其原因在于原位生成的細(xì)小TiB2顆粒不僅增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，而且同時(shí)細(xì)化了基體合金，使復(fù)合材料強(qiáng)硬度提高，塑韌性得到改善，最終使復(fù)合材料擁有較好的使用性能。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）采用合理的工藝，可以用TiO2與KFB4的混合粉末與鋁熔體原位反應(yīng)制備出TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料。

（2）制備的TiB2/Al-18%Si復(fù)合材料硬度比過(guò)共晶Al-18%Si合金提高39.7%，室溫抗拉強(qiáng)度增加31.2%，而顆粒增強(qiáng)體對(duì)基體材料連續(xù)性的破壞作用及形變硬化使復(fù)合材料的延伸率有所降低。

（3）TiB2/Al-18%Si原位復(fù)合材料的斷口中既有韌性斷裂特征的韌窩，又有脆性斷裂特征的解理面，屬于混合斷裂方式。

[1] 林師朋，劉金炎，紀(jì)艷麗.鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體研究及發(fā)展現(xiàn)狀［J］．有色金屬加工，2016，45(6)：6-11.

[2] 張保林.（TiB2+Al3Ti）/ZL102復(fù)合材料的硬度測(cè)試與增強(qiáng)機(jī)理分析［J］．中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2017(3)：9-11.

[3] 王強(qiáng)強(qiáng).TiB2顆粒增強(qiáng)Al-18%Si基復(fù)合材料的制備工藝和性能研究[D].蘭州理工大學(xué).2011.

[4] 蘭曄峰, 王強(qiáng)強(qiáng), 李慶林,等.原位反應(yīng)制備 TiB2顆粒增強(qiáng)Al-Si 基復(fù)合材料的研究［J］．熱加工工藝，2011，40(4)：63-66.

Hardness test and fracture analysis of TiB2/Al-18%Si composites

ZHANG BaoLin
（Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, Shaanxi ,China）

Using KFB4and TiO2mixing Al-18%Si melt in-situ reaction method to prepare TiB2/ Al-18%Si particle reinforced composites,to test the hardness and analyze its fracture morphology, study the fracture mechanism.The results show: the hardness of TiB2/Al-18%Si is increased by 39.7%, the tensile strength is increased by 31.2% compared of Al-18%Si., and the fracture is mixed fracture.

composite materials; hardness test; fracture analysis

TG146.21:TB333.1；

A；

1006-9658（2017）04-0035-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.010

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院基金項(xiàng)目（編號(hào)：14KCGG—001）

2017-05-02

稿件編號(hào):1705-1769

張保林（1980—），男，講師，碩士研究生，主要從事金屬材料檢測(cè)的教學(xué)和研究.