论文部分内容阅读
金属间化合物Mg2Si具有高熔点,低密度,高硬度,低热膨胀系数和较高的弹性模量,可广泛应用于航空航天工业、军事工业和交通运输工业等领域。但Mg2Si有非常严重的晶间脆裂倾向,在低于450℃时具有本征脆性,使其室温延展率几乎为零,此缺点限制了其广泛的应用。因此Mg2Si的韧化成为近年来的研究热点。由于Mg2Si相为热力学稳定相,与基体相容性好、界面干净、结合牢固,热稳定性好,分布均匀,并且制造工艺简单、成本低廉,故将Mg2Si与延性基体(Mg和Al等)复合成为Mg2Si韧化的有效手段。因此本文采用熔体原位合成方法制备了Mg2Si/Al复合材料,系统研究复合材料的组织性能,探讨其强韧性机制,这对于发展轻质高强度Mg2Si/Al复合材料具有重要的理论意义及实际价值。本文通过研究初生Mg2Si相的组织形貌及分布,探讨了其对Mg2Si/Al (Al-30%Mg2Si和Al-40%Mg2Si)复合材料的微观组织的影响。通过添加合金元素,稀土元素、A1Ti系晶粒细化剂及热处理等方法有效地控制了Mg2Si/Al复合材料显微组织,并探讨了其作用机理。同时还研究了Mg2Si/Al复合材料力学性能,通过断口扫描分析了其断裂机理。具体研究结果如下：适当的合金元素能够改善Mg2Si/Al复合材料显微组织及其性能。实验选用Ca、P-Cu和Bi对Mg2Si/Al复合材料进行变质,均可细化初生Mg2Si(?)目,改善其形状和分布,在很大程度上能使Mg2Si相圆整,同时抑制共晶相的异性生长。其中Ca、P-Cu的最佳加入量在0.4%～0.8%之间,Bi的最佳加入量为3.0%,此时材料的抗拉强度可提高20-35%,延伸率提高14-39%。稀土元素能改善Mg2Si/Al复合材料显微组织及其性能。实验选取了代表性的几种稀土元素——Sc、Y、La及混合稀土(La&Y)和(Sc&La)。当稀土元素加入量为0.2%时就能够在一定程度上抑制初晶Mg2Si树枝晶生长,提高初晶Mg2Si分布均匀性。当稀土元素加入0.6%～0.8%时,初晶Mg2Si呈规则多面体均匀分布,组织最为细小,对应的材料抗拉强度可提高17-30%,延伸率提高27-38%。AlTi系细化剂可明显细化Mg2Si/Al复合材料组织,改善其力学性能。选取的AlTiC、AlTiP和AlTiZr三种晶粒细化剂均可使得Mg2Si相尺寸减小,形貌相对圆滑,其中AlTiZr对组织的改善效果更为明显,特别是对高Mg2Si含量的材料。通过添加0.6-0.8%的细化剂,Mg2Si/Al复合材料的拉伸强度和延伸率可分别提高11-20%和10-24%。固溶加时效热处理能消除复合材料偏析等铸造缺陷及内应力,可充分提高材料的硬度与抗拉强度,并确保一定的塑形和韧性,从而改善其力学性能。其中最佳的热处理工艺为545℃,5h固溶+175℃,3h时效,此时所获得的复合材料组织最佳,层片状Mg2Si相几乎全部消失,基体上只有细小的初生Mg2Si颗粒和大量弥散分布的共晶Mg2Si相存在,且圆润,分布均匀。硬度和抗拉强度达到了最佳值,抗拉强度提高了11.9%,硬度提高了13.7%,延伸率略有下降。