纳米Al_2O_3P_6061铝基复合材料时效硬化特性的研究

来源：华佗小知识

《热加工工艺》　2004年第8期

试验研究　　　　13

纳米Al2O3P󰃗6061铝基复合材料时效硬化特性的研究

黄永攀,李道火,黄伟

(中科院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031)

摘　要:探讨了不同纳米氧化铝颗粒含量、不同时效温度对纳米Al2O3P󰃗6061铝基复合材料时效硬化行为的影响,结果发现,因强化相颗粒与铝合金基体的热膨胀系数差异,提供了析出物形成与成长的驱动力,导致其峰时效时间随强化相颗粒含量的增加及时效温度的升高而缩短,但其峰时效硬度会因时效温度提高使得析出物过度成长而随之降低。复合材料因受强化相与基体材料热膨胀系数的差异、强化相造成的铝合金晶粒细化以及强化相颗粒分散强化等三项因素影响,其硬度值随强化相颗粒增加而提高。

关键词:纳米Al2O3P󰃗6061铝基复合材料;时效硬化特性

中图分号类:TG146.2+1;TB333　　　文献标识码:A　　　文章编号:100123814(2004)0820013202

6061CompositesStudyontheAgingHardeningBehaviorofNanoAl2O3P󰃗

HUANGYong2pan,LIDao2huo,HUANGWei(AnhuiIstituteofOpticsandFineMechanics,ChinesesAcademyofSciences,Heifei230031,China)

Abstract:TheinfluenceofdifferentAl2O3particulatecontainedanddifferentagingtemperatureonaginghardening6061compositeswasdiscussed.Theresultshowsthepeak2agingtibehaviorofnanoAl2O3p󰃗meofthecompositesde2creasewithincreasingagingtemperature,becausethedifferentthermalcoefficientoftheAl2O3particulateand60612alu2minumalloyprovidthedrivingforcetonucleationofprecipitate.Andthepeak2aginghardnessalsodecreaseswithin2creasingagingtemperature,becauseofovergrowthofprecipitate.Thehardnessofthecompositesdecreaseswithincreas2ingoftheweightpercentoftheAl2O3particulate.ThisisbecauseofthecompositesinfluencedbythedifferentthermalcoefficientoftheAl2O3particulateand60612aluminumalloy,thefinegrainsizehardeningresultedfromtheceramicpar2ticulateandthedispersionhardeningresultedfromtheuniformparticulatedistribution.

6061composites;aginghardeningbehaviorKeywords:nanoAl2O3P󰃗

　对复合材料而言,基体合金的力学性能对复合材料的性能有着重要的影响,因此铝基复合材料的时效析出行为得到了人们的广泛关注[1～3],如Dutta等[1]研究了基体中位错密度及其分布对复合材料时效行为的影响,Lin等人研究了SiC含量对复合材料时效行为的影响。本文将不同纳米Al2O3颗粒含量的6061铝基复合材料铸件进行不同温度和不同时效时间的T6热处理,通过测定各时效硬化处理试样的洛氏硬度,以了解纳米强化相颗粒及其含量对纳米氧化铝颗粒增强6061铝基复合材料人工时效的影响。

[3]

屑加入铝合金熔液中予以均匀熔合,浇铸成所需的氧化铝颗粒均匀分布在铝合金基体中的复合材料铸件。1.2　热处理

从6061铝合金基体材料及所制备的不同强化相含量的复合材料铸件上截取硬度试样,将其置于530℃空气炉中保温2h后置入室温(27±3℃)水中冷却,以完成固溶处理。接着,再将固溶处理完毕的试样放入空气炉中,在140、160、180及200℃时效温度条件下保温不同时间后取出空冷。1.3　绘制时效硬化曲线

1　试验方法

1.1　纳米Al2O3P󰃗6061铝基复合材料的制备

热处理后的试样用细砂纸研磨,用洛氏硬度计进行硬度测试,每一试样取其4点硬度的平均值作为它的硬度值,依据所测硬度值,绘制时效硬化曲线,以分析时效温度及强化相含量对时效硬化特性的影响。

以6061合金为基材,以平均粒度约为50nm的Α2

Al2O3颗粒作强化相,制备出强化相含量(质量分数,%)分别为0.3、0.6、0.9及1.2的Al2O3P󰃗6061铝基复合材料。其制备方法是:先利用复合铸造技术,将高百分比的氧化铝颗粒加入铝合金中形成铝基复合材料。为了使基体中的氧化铝颗粒分布均匀,采用固体旋转摩擦的方法,将团聚于铝合金基体中的氧化铝颗粒α予以均匀分散于磨屑中。再利用重力铸造的方式,将磨

2　试验结果与分析

图1为6061铝合金及不同强化相含量的Al2O3p󰃗6061铝基复合材料在140、160、180和200℃的时效硬

收稿日期:2004203209

作者简介:黄永攀(19722),男,安徽砀山人,工程师,在读博士研究生。

　　　　RESEARCH

HotWorkingTechnology　2004No.8

化曲线。可见,纳米氧化铝颗粒的添加,对材料有时效加速的影响,且随着氧化铝颗粒含量的增加,时效加速的效果更加明显。时效硬化是由于第二相固溶体析出与扩散所致,而析出过程受到铝合金基体的内能的影响,当基体中存在有强化相颗粒时,由于强化相颗粒与铝合金基体的热膨胀系数不同(前者为8×10-6󰃗℃,后者为23.6×10-6󰃗℃),热处理过程会导致强化相颗粒周围发生残留应力,形成能量较高的区域并造成析出的驱动力,在此区域内较易发生第二相的析出,故随强化相颗粒含量的增加,析出物形成的速率也随之增加;此外,在固溶处理后,铝合金基体的晶粒尺寸随强化相颗粒含量增加而减小,但析出物的扩散路径是沿着能量较高的晶界区域进行的,晶粒尺寸减小、数量增加的情况下,晶界数目也随之大幅提升,使析出物的扩散路径增多,从而加速了其扩散行为。故纳米颗粒增强复合材料随其强化相颗粒含量增加,第二相析出速率相对提高,达到峰时效所需时间相对缩短,因而有人工时效的状态下,析出物的成长与扩散均可获得充足的能量做为其驱动力,进而使得铝合金基体的析出物过度成长,造成析出物数目减少所致。

从图1还可以看出,纳米颗粒增强铝基复合材料的硬度随着其强化相颗粒含量的增加而提高。这主要是受到如下三个因素的影响:

第一个因素是添加热膨胀系数与基体材料不相同的氧化铝颗粒后,会在强化相颗粒与基体材料界面区域产生残留应力。

第二个因素为晶粒细化　由于强化相颗粒在基体中不具溶解度,与基体材料间存在非整合性,因此在其分散均匀的情况下,对于合金基材的再结晶与晶粒成长形成较大的阻抗,使得铝合金基体材料在热处理过程中产生晶粒细化现象。从而可获得较高的硬度值。

第三个因素为纳米氧化铝颗粒的分散强化　均匀分散于铝合金基体中的纳米氧化铝颗粒可视为位错运动的障碍,使位错运动时无法贯穿,而仅能靠大幅改变

位错线的曲率移动方式来前进,这样就使位错移动所需的应力增加,并能引起基体的快速应变硬化,从而提高复合材料的整体硬度值。

3　结论

(1)纳米氧化铝颗粒的

添加,对材料有时效加速的影响,且随着氧化铝颗粒含量的增加,时效加速的效果更加明显。

(2)纳米氧化铝颗粒增强铝基复合材料的硬度随着其强化相颗粒含量的增加而提高。

图1　6061铝合金及不同强化相含量的Al2O3P󰃗6061复合材料在不同温度下的时效硬化曲线

硬化加速的现象产生。另外还可看出,所有试样的峰时效时间均会随时效温度的升高而减少,而纳米颗粒增强复合材料,尤其随强化相含量的提高,表现得更为明显。这主要是由于除温度升高提供足够的驱动力外,强化相颗粒与铝合金基体的界面处产生高密度位错而更有利于第二相的析出、成长与扩散。

由图1也可看出,6061铝合金在160℃时效时可得到最大的峰时效硬度值,而添加纳米强化相颗粒之后,不论强化相含量多少,复合材料的峰时效硬度值均有随着温度提升而下降的趋势,这是由于在温度提升

参考文献:

[1]　DuttaI,BourellDL.InfluenceofDislocationDensityandDistri2

butionontheAgingBehaviorof6061Alcomposites[J].ActaMet2

allMater,1990,39(6):111721125.

[2]　KumaiS,HuJ,HigoY,etal.HardnessCharacteristicsinAged

ParticulateSiC󰃗A356CastAluminiumAlloycomposites[J].Scri2taMetallMater,1992,27(11):1072110.

[3]　LinJS,LiPX,WuRJ.AgingEvaluationofCastParticulate2Re2

.Mater.,1993,inforcedSiC󰃗Al2024Composites[J].ScritaMetall

　　28(3):2812286.

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