含钇Al-15%Mg2Si原位复合材料的显微组织、硬度和拉伸性能外文翻译资料

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含钇Al-15%Mg₂Si原位复合材料的显微组织、硬度和拉伸性能

M. Emamy, H.R. Jafari Nodooshan , A. Malekan

摘要：目前的研究探讨了不同含量的 (0.1-1.0 wt.%)Y对Al-15%Mg₂Si铸造复合材料的显微组织、硬度和拉伸性能的影响。复合材料显微组织的研究揭示了在所有试样中都存在初生的和二次的Mg₂Si相，并且在含较高含量的相关元素的试样中还存在含Y金属间化合物。还发现Y的添加不会改变Mg₂Si晶粒的大小和形态，但伪共晶Mg₂Si从片状的形态变成细纤维状或棒状。力学性能测试的结果表明，Y的加入可以提高硬度和极限抗拉强度值(UTS)。进一步的拉伸试验研究显示了提高极限抗拉强度和伸长率的最佳Y含量(0.5wt.%)。通过断口的扫描电子显微镜(SEM)分析显示，所有试样的粗大初生Mg₂Si晶粒屈服于脆性断裂。粗大脆性Mg₂Si相可以作为裂纹源，而Al-Mg₂Si-0.5Y中棒状形态的共晶Mg₂Si能作为屏障阻挡裂纹扩展，从而提高伸长率。在更高的Y含量试样中，金属间化合物相(Al₂Y)聚集在共晶体晶界，似乎是最容易的裂纹扩展路径。

1.引言

传统的金属基复合材料(即非原位复合材料)有一些缺点需要克服，比如强化相和基体之间的界面反应。这促进了原位金属基复合材料的发展。在复合材料制备中，金属基复合材料的原位合成涉及在基体中的生产强化。以下介绍了相较于通过非原位技术生产的非连续强化的金属基复合材料，原位复合材料拥有突出优势，原位复合材料强化是在基体中形成的热力学强化，使其在高温工况下更少的失效；强化相和基体之间的界面是洁净的，导致润湿性的改善；造价成本降低；原位复合材料形成强化相，晶粒细小及其分布更均匀，导致金属基复合材料更好的力学性能^[1]。

铝基金属复合材料是用于结构和功能材料方面最好的选择之一，如航空航天、汽车和国防。Al-Mg₂Si复合材料有很高的潜力作为结构材料，因为金属间化合物Mg₂Si拥有高熔点(1085℃)，低密度(1.99times;10 ³ kg m^-3)、高硬度(4.5times;10⁹ Nm^-2)，低热膨胀系数(7.5times;10^﹣6 K^﹣1)和相当高的弹性模量(120GP)^[2]。然而Al/Mg₂Si复合材料的机械性能不满意主要是由于粗大Mg₂Si粒子^[3]。在正常Al-Mg₂Si铸造复合材料中粗大和不规则形态Mg₂Si金属间化合物的主要原因通过观察低延性材料已经发现。因此，粗大的Mg₂Si颗粒需要细化和变质，以获得足够的机械强度和延展性。因此，研究已进行变质初晶和共晶Mg₂Si结构来提高这些复合材料如快速凝固性质^{[4-6 ]}，化学改性^[7-18]和热处理^[19]。除了结构调整，一些工作都聚焦于添加不同的材料，如稀土^[16]，盐（氯化钠、氟化钠和氯化钾的混合物）^[9]，K₂TiF₆ ^[10]，过量的硅^[11]，Sr^[7]，Ce ^[8]，Li^[13]，P ^[12]。类似的研究都集中在含稀土金属^[14,15]和La、Y、Nd的铝硅合金材料中共晶和初生Si晶体的改性效果^[17]。Y还被加入Mg-Mg₂Si复合材料来作为精炼剂，减少初晶和共晶Mg₂Si颗粒尺寸^[18]。近日，镍被添加到复合材料，结果表明伪共晶Mg₂Si相变化很大，从片晶结构变为纤维形态 ^[20]。

目前已进行研究，探讨不同含量的Y对原位过共晶Al-15% Mg₂Si复合材料的显微组织，硬度，拉伸性能和断裂特性的影响。

2.实验

工业纯铝、镁、硅金属制备Al-5.5wt.%Si-9.7wt.%Mg的合金，其对应于Al-15%Mg₂Si复合材料。所有金属在电阻炉中预热到200℃，合金熔化使用一个10公斤的石墨坩埚。表1显示了过共晶Al-15% Mg₂Si的化学成分。

表1 15%Al-Mg₂Si的化学成分（%）

研究显微组织表面被抛光的样品，选定从测试棒（6毫米直径），图1B的切割部分的切片部分进行抛光，然后蚀刻HF（1%），以揭示结构。为了制备扫描电子显微镜（SEM）图像，将试样在15% NaOH溶液中进行深度刻蚀，去除铝基体。用一个装有图像分析系统光学显微镜测定组织的定量数据（Clemex Vision Pro版本3.5.025）。通过Vega@tescan拉伸试样的断裂表面也检查了类似的SEM。进行试样的显微组织，外加能量色散X射线分析（EDX）。

图1 （a）铸铁模具，及（b）拉伸试样尺寸

试样的硬度用布氏硬度计测定，负载30公斤，直径为2.5毫米的球。每个读数的平均至少有10个单独的测量在试样表面上随机的地方。

附件的拉伸试棒进行加工，根据ASTM B557m-02a子尺寸试样（图1b）^[22]。拉伸试验是在计算机控制的MTS拉力机进行，配备有应变引伸计，在一个恒定的1mm/min的速度。拉伸试样的断裂表面也进行同样的SEM研究。

3.结果与讨论

3.1显微组织的表征

根据Al-Mg₂Si体系的二元相图（图2），Al-15%Mg₂Si复合材料成分在过共晶区，因此，铸态组织为初生Mg₂Si和伪共晶组织（Mg₂Si /a-Al）^[3]。含有0和0.3 wt.%的Y的铸造Al-15% Mg₂Si复合材料的典型显微组织如图3a-b. 在Al-Mg₂Si共晶体基体中，黑暗的粗颗粒被称为Mg₂Si ^[13]。从图3a，可以清楚地看到，不含Y伪共晶结构主要是片状存在于共晶体内。这种形态是很多，可能是由于在薄（6mm直径）铸件的凝固过程中相对高的冷却速度。在金属基复合材料中加入Y后，共晶Mg₂Si相变细，形态由片状变为很短的纤维状或斑点状（图3b）。图4a-d显示Al-15% Mg₂Si复合材料的SEM微观结构随着0.1，0.3，0.5和1.0wt.%的Y增加。测量不同Y含量的伪共晶基体中初生Mg₂Si晶体的平均大小的和层间距值，绘制在图5中。

温度℃

Mg2Si质量百分比（％）

图2 Al-Mg₂Si的伪二元平衡相图

图3 Al-15%Mg₂Si复合材料的典型显微组织(a) 0 wt.%Y and (b) 0.3 wt.%Y.

图3 SEM显微照片显示的Al-Mg₂Si复合材料的显微组织

图5 初生共晶Mg₂Si晶粒大小和层间距作为Y含量的函数不同的Y含量: (a) 0.1 wt.%， (b) 0.3 wt.%， (c) 0.5 wt.%， and (d) 1.0 wt.%.

共晶Mg₂Si

初生Mg₂Si

Mg₂Si晶粒尺寸︵mu;m︶

Y（wt.%）

微观结构研究表明，Y的增加不会显著改变初生Mg₂Si晶粒的大小（图5），但它改变其形态，不规则树枝状的初生Mg₂Si晶体已呈现面颗粒（图4c）。这也是明显的，Y的加入促进在图中观察到的浅色的树枝状的Al-Y金属间化合物形成（图4b-d）。图6显示了Al-15% Mg₂Si-1% Y复合材料在高倍放大的显微照片（图6b）和选定的点EDX分析（图6a）。Al-15% Mg₂Si-1% Y复合材料的XRD图在图7中看到的。从图6和7可以看出白色的相是Al₂Y化合物。

图8显示了次生Mg₂Si晶粒在Y加入后的形态变化。可以看出，通过这些片状形态（图3a）已呈现仅棒状的几何形状，这也伴随着棒状尺寸的减小（图3b，8和5）。如图5所示，Y的加入减少共晶Mg₂Si的层间距约2mu;m到小于1mu;m。这一结果类似于以前的研究结果，通过向Al-20% Mg₂Si MMC中添加Ni（Chong等人）^[20]。

图6 （a）EDX点扫描，和（b）Al-15% Mg₂Si-1% Y复合材料高倍扫描电镜照

图7 Al-15% Mg₂Si-1% Y复合材料的XRD图

图8 SEM照片，显示不同的Y元素添加量的Al-Mg₂Si复合材料共晶组织：（a）0.5wt.%、（b）1wt.%。

3.2硬度和拉伸性能

图9显示了Al-Mg₂Si复合材料在Y含量不同时硬度的变化。加入Y的复合材料的硬度增强很可能是由于形成的细晶共晶结构和Al₂Y金属间化合物，这是硬度增强的一个主要因素。

图10显示了典型的拉伸试验得到的工程应力伸长曲线。不同Y含量试样的极限抗拉强度（UTS）和伸长值也绘制在图11。从图11，很明显知道Y添加（高达0.5wt.%）提高复合材料的抗拉强度和伸长率。可以看出，拉伸强度从240MPa增加至290MPa和伸长率的百分比从2.3提高到4.3。根据结果，似乎样品的拉伸性能是受不同的因素之间的竞争所得到的属性影响。通过加入Y，共晶区的二次Mg2Si相的显微组织有很大的变化。如图3a所示，凝固区内的伪共晶Mg₂Si的形貌多为片状，纤维状较少。在凝固过程中的Y向伪共晶区的偏析已经导致的变化的增长区域的Mg₂Si片的细纤维（图3a）。Y对共晶Mg₂Si相类似的改性效果已经在铸造Mg-5wt.%Si中报道过^[18]。但在更高的Y含量，更多的金属间化合物被观察到在凝固晶胞作为这样的现象的结果。Al₂Y金属颗粒通常硬而脆，直接影响抗拉强度和延伸率。加入1wt.%的Y复合，没有观察到改善抗拉强度和延伸率的结果（图11）。这可能是由于较高含量的Y在最后的凝固阶段和在共晶晶胞存在的高含量的金属间化合物（图4D）。根据结果，最佳的拉伸性能是通过添加0.5% Y的Al-Mg₂Si复合材料。

图9 Al-15%Mg₂Si复合材料布氏硬度与Y含量的关系

硬度（BHN）

图10 Y含量不同时工程应力与伸长率关系

延伸率（%） 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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