DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2000.02.001
MB2/SiC复合材料的高应变速率超塑性
东南大学材料科学与工程系!南京210096
摘 要:
用搅拌法制备了以MB2为基、以SiC颗粒为增强体的镁基复合材料 , 铸锭在 390℃热挤压成棒材。在温度为 380~ 560℃和应变速率为 2 .0 8× 1 0 - 3s- 1 ~ 5 .2 1× 1 0 - 1 s- 1 的范围内 , 测试了挤压态MB2 / 1 0 %SiC (体积分数 ) 和MB2 / 5 %SiC镁基复合材料的超塑性。MB2 / 1 0 %SiC在温度为 52 5℃、应变速率为 2 .0 8× 1 0 - 1 s- 1 时最大延伸率可达 2 2 8% , 应变速率敏感性指数为 0 .39。超塑性拉伸断口上存在丝棒状物质
关键词:
中图分类号: TB33
收稿日期:1999-03-29
基金:国家自然科学基金资助项目! 595710 0 4;
High strain rate superplasticity in MB2/SiC magnesium matrix composites
Abstract:
Ingots of MB2 (magnesium based alloy) matrix composites reinforced with SiC particulates (2 μm) , of 10% or 5% (in volume fraction) were prepared by stir casting and then extruded with a reduction ratio of 49∶1 at 390 ℃. Superplasticity of the composites was investigated at 380 ℃~560 ℃ and with strain rate from 2.08×10 -3 ?s -1 to 5.21×10 -1 ?s -1 . The maximum of total elongation as high as 228% was obtained in MB2/10%SiC composite at 525 ℃ with a strain rate of 2.08×10 -1 ?s -1 , and the strain rate sensitivity exponent (m) was 0.39. Filament was observed on the fracture surface of the specimens showing superplasticity.
Keyword:
Mg/SiC composite; high strain rate; superplasticity;
Received: 1999-03-29
与传统金属材料相比, 颗粒增强金属基复合材料在强度、 刚度、 阻尼、 抗磨损、 抗蠕变以及尺寸稳定性等多方面展现出显著的优势
1 实验方法
试验材料的基体采用我国标准牌号中的MB2合金, 其成分为Mg- (3.0~4.0) Al- (0.2~0.8) Zn- (0.15-0.5) Mn。 增强体为SiC颗粒, 颗粒平均直径为2 μm。 复合材料的制备采用机械搅拌法。 具体工艺过程在文献
2 实验结果
2.1 显微组织
图1 (a) 和图1 (b) 分别是MB2基体合金和MB2/10%SiC复合材料热挤压态的显微组织。
从图1可见在390 ℃的高温下, 经大形变量 (λ=49) 挤压变形后, 基体和复合材料的显微组织均由等轴晶粒组成, 这说明试样在挤压过程中完成了动态再结晶。 复合材料的组织 (图1 (b) ) 均匀致密, 且晶粒的平均直径远小于基体合金 (图1 (a) ) 。 若对抛光后未经侵蚀的试样进行SEM观察, 可发现SiC颗粒分布均匀, 未出现严重的团聚 (图1 (c) ) 。 MB2/5%SiC复合材料的挤压态组织和MB2/10%SiC相仿, 只是基体的晶粒尺寸略大于后者。
2.2 超塑性形变
为了确定复合材料在超塑性形变过程中流动应力σ的值, 本文先测定了几种温度下材料的工程应力和工程应变曲线, 然后根据公式
2.2.1 温度对复合材料流动应力和延伸率的影响
选择了三种不同的初始应变速率2.08×10-3?s-1, 2.08×10-1s-1和5.21×10-1?s-1, 分别测定MB2/10%SiC复合材料的流动应力和延伸率随温度的变化。 图2 (a) 所示的是MB2/10%SiC的σ-T曲线。 从图中可见, 在三种不同的应变速率下, 材料的流动应力均随温度上升而下降, 但下降的规律不完全相同。 当应变速率为2.08×10-3s-1时, 流动应力随温度升高而缓慢下降, 呈现出常规金属材料的力学行为。 在高应变速率5. 21×10-1s-1时, 各温度下σ值均显著高于低应变速率下的对应值。 但温度高于465 ℃后σ随温度的升高而迅速下降。 应变速率
MB2/10%SiC复合材料的延伸率 (随温度变化的规律如图2 (b) 所示, 在较低的应变速率 (2.08×10-3?s-1) 下, 延伸率随温度上升而缓慢上升, 曲线上未出现峰值, 当应变速率升到2.08×10-1?s-1时, 延伸率先随温度上升而迅速提高, 并在525 ℃获得了δ=228%的峰值。 图3是试样变形后的实物照片。 此后随温度升高, 延伸率陡然下降。 在更高的应变速率
图1 MB2和MB2/10%SiC挤压态组织
Fig.1 Microstructures of extruded MB2 and MB2/10%SiC composites
(a) —MB2; (b) —MB2/10%SiC; (c) —Particle distribution of MB2/10%SiC
图2 不同初始应变速率下MB2/10%SiC流动应力 (σ) 和延伸率 (δ) 与温度的关系
(a) —σvs temperature; (b) —δvs temperature★—﹒ε=2.08×10-3 s-1;■—﹒ε=2.08×10-1 s-1;○—﹒ε=5.21×10-1 s-1
图3 MB2/10%SiC试样变形前后的实物照片 (525 ℃, 2.08×10-1?s-1)
Fig.3 Superplastic sample of MB2/10%SiC composite before (top) and after (bottom) deformation
MB2/5%SiC复合材料在两种不同的应变速率 (4.17×10-2?s-1, 2.08×10-1?s-1) 下流动应力和延伸率与温度的关系曲线如图4所示。 从图4 (a) 可见, MB2/5%SiC的流动应力随温度的变化规律与MB2/10%SiC基本相同, 即σ随温度的上升而下降。 在δ-T曲线 (图4 (b) ) 上亦出现峰值, 其对应温度均为515 ℃, 对应的峰值分别为
2.2.2 应变速率对复合材料流动应力和延伸率的影响
在研究了温度对复合材料超塑性形变行为的影响规律后, 本文选择了三种恒定温度 (485, 525和540 ℃) , 测定了恒定温度下应变速率变化时MB2/10%SiC流动应力和延伸率的变化规律。 将流动应力和应变速率的关系绘制在对数坐标
MB2/5%SiC复合材料在495, 515和525 ℃三个温度下流动应力和延伸率的关系曲线如图6所示。 和图5 (a) 对比可知, SiC颗粒百分数减小后的MB2/5%SiC复合材料在高温下的流动应力随应变速率而变化的规律 (图6 (a) ) 与MB2/10%SiC相似, 即流动应力随应变速率提高而提高。 不同的是, 在三个温度下MB2/5%SiC的δ-ε曲线上都出现了峰值 (图6 (b) ) 且对应的应变速率均在4.17×10-2?s-1, 最大延伸率分别为103% (495 ℃) , 138% (515 ℃) 和121% (540 ℃) 。
2.3 应变速率敏感性指数
应变速率敏感性指数
2.4 拉伸试样的断口分析
图7 (a) 是MB2/10%SiC在最佳超塑性变形条件下拉伸试样断口形貌的SEM像。 图中断口的最显著特征是基体呈丝棒状 (filament, 如图中A处) 。 此外, 断口上还存在许多细小的空洞, 且在其底部可见细小的SiC颗粒 (图中B处) 。 有些空洞已相互连接 (图中C处) , 表明在形变过程中空洞的扩展。在断口的纵向上同样可见丝棒状的基体, 如图7 (b) 所示。
图4 MB2/5%SiC流动应力和延伸率与温度的关系曲线Fig.4 Flow stress and total elongation as a function of temperature at different strain rates for MB2/5%SiC composite
(a) —σvs temperature; (b) —δvs temperature★—﹒ε=4.17×10-2 s-1;◆—﹒ε=2.08×10-1 s-1
图5 MB2/10%SiC流动应力 (σ) 、 延伸率 (δ) 与应变速率 ( ε˙) 的关系
Fig.5 Flow stress and total elongation as a function of strain rate for MB2/10%SiC composite
(a) —σvs strain rate; (b) —δvs strain rate■—t=485℃;◆—t=525℃;★—t=540℃
图6 MB2/5%SiC流动应力和延伸率与应变速率的关系
Fig.6 Flow stress
◆—t=495℃;★—t=515℃;■—t=525℃
图7 MB2/10%SiC拉伸试样断口形貌 (在最佳超塑性变形条件下)
Fig.7 Fracture surfaces of superplastically deformed MB2/10%SiCp (2 μm) composite samples
若将形变温度提高到540 ℃, 断口的形貌并未发生明显的变化, 部分基体亦呈丝棒状, 且断口上的空洞位于颗粒与基体之间, 这说明空洞的形成与SiC颗粒的分布密切相关。 然而当形变温度降至485 ℃时, 断口上丝棒状基体消失, 而空洞大小不一, 说明该温度下材料变形的不均匀性。 表1中所列数据是用能谱 (EDX) 方法测定断口上丝棒状基体化学成分所得的结果, 为了便于对比, 表中同时列出了对非丝棒状基体能谱分析所得的结果。
表1 MB2/10%SiCp断口不同部位的EDS分析
Table 1 Microanalysis of selected area onfracture surface of MB2/10%SiCp composite
Position | Mg | Al | Si | Zn | Mn |
Filament | 87.96 | 4.15 | 6.63 | 0.97 | 0.39 |
Matrix | 90.42 | 3.33 | 5.70 | 0.48 | 0.07 |
3 讨论
在迄今为止的文献中, 对镁基复合材料的高应变速率超塑性的报道还不多。 本文研究的MB2/10%SiC复合材料在t=485~540 ℃温度范围内不同程度地呈现超塑性变形行为, 尤其是在
对金属基复合材料的高应变速率超塑性目前还没有统一的认识, 但大多数研究者认为晶界滑动是组织超塑性变形的重要方式
4 结论
1) 在镁合金MB2中加入少量 (5%~10%) 的平均直径为2 μm的SiC颗粒能大幅度细化基体晶粒组织。
2) MB2为基体、 平均直径为2 μm的SiC增强的镁基复合材料在485~540 ℃温度范围内呈现高应变速率超塑性。 当温度为525 ℃和应变速率为2.08 s-1时, 最大延伸率可达228%, 应变速率敏感性指数m=0.39。
3) 在高温高应变速率的变形条件下, 当SiC颗粒的体积百分数从5%增至10%, 材料的延伸率和应变速率敏感性指数得到明显的提高。
4) 在呈现高温高应变速率超塑性的拉伸试样断口上存在丝棒状组织, 这可能是在形变过程中出现界面液相的表征。 在超塑性变形过程中, 少量的界面液相对晶粒及颗粒的滑移可能起了重要的协调作用, 是材料呈现高温高应变速率超塑性的必要条件。
参考文献