熱擠壓與退火處理后SiO2/Mg復(fù)合材料的織構(gòu)研究

嚴 峰，陳 磊，滕穎麗

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

鎂具有密度低，比強度高，導電性好，散熱性好，阻尼性高等優(yōu)點，并且易于機械加工和回收利用，資源儲量大，是極具潛力被大量應(yīng)用的工程材料［1-4］.但是，鎂及其合金的低硬度、低強度、低模量、高熱膨脹系數(shù)等性能缺陷限制了它的廣泛應(yīng)用.采用非連續(xù)增強相增強的鎂基復(fù)合材料完全消除或彌補了鎂的這些弱點，以其高比強、高比模、耐高溫、導熱、導電、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的綜合性能在航天、航空、先進武器系統(tǒng)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［5］，并已開始具體應(yīng)用.

鎂屬于六方晶系，其滑移系共有四種:基面滑移系 {0001}＜ 11ˉ20 ＞ ，棱面滑移系{10ˉ10}＜11ˉ20 ＞ ，棱錐滑移系{10ˉ11} ＜ 11ˉ20 ＞ 和棱錐滑移系{11ˉ22}＜ 11ˉ23 ＞ .在鎂基復(fù)合材料中，增強體往往選用硬、脆陶瓷粉體或晶須，這些增強體在復(fù)合材料的塑性成形或加工過程中不發(fā)生塑性變形(大長徑比增強體，如晶須，在材料的塑性變形中會隨基體轉(zhuǎn)動而形成強烈的擇優(yōu)取向)，因此，對非連續(xù)增強相增強的鎂基復(fù)合材料織構(gòu)的研究仍然集中在基體上.

本文以SiO2晶體顆粒增強的純鎂復(fù)合材料為研究對象，通過金相顯微鏡與X射線衍射技術(shù)，分析其在熱擠壓與退火處理后微觀組織與織構(gòu)演化規(guī)律.

1 實驗材料與方法

實驗材料為采用等離子體放電燒結(jié)技術(shù)制備的2%SiO2/Mg復(fù)合材料，燒結(jié)溫度為380℃，然后在400℃，擠壓速度為0.5 mm/s，擠壓比為37∶1的條件下，將燒結(jié)后的復(fù)合材料擠壓成直徑7 mm的棒材.退火處理在箱式電阻爐中進行，退火溫度450℃，保溫30 min后水冷.

采用金相顯微鏡對擠壓棒材的縱剖面(剖面平行于擠壓方向)進行觀察.金相試樣在SiC砂紙上打磨到1500#，然后在機械拋光機上用顆粒大小1 μm的金剛石膏機械拋光，腐蝕液成分:乙醇(100 mL)，苦味酸(5 g)，醋酸(5 mL)和水(10 mL).腐蝕時間60 s.用圖像分析軟件 Image-Pro Plus6.0對金相照片進行統(tǒng)計，確定樣品的平均晶粒尺寸.

采用荷蘭帕納科公司(PANalytical B.V.)銳影(Empyrean)X射線衍射儀，用反射法進行織構(gòu)測定.選用CuKα為入射光源，管電壓為40 KV，管電流為40 mA.

2 實驗結(jié)果與分析

燒結(jié)后的SiO2/Mg復(fù)合材料的組織如圖1所示.燒結(jié)過程對Mg顆粒形狀與尺寸沒有明顯影響，SiO2分布在鎂顆粒邊界上.從圖上看，每個Mg顆粒均由多個晶粒構(gòu)成，用Image-Pro Plus6.0測得平均晶粒尺寸為39.6 μm.

1 燒結(jié)后SiO2/Mg復(fù)合材料的顯微組織

圖2為擠壓樣品的縱剖面的光學顯微鏡下的微觀組織照片，可以看到清晰的平行于擠壓方向的擠壓流線.在熱擠壓過程中，晶粒內(nèi)部滑移系開動，晶粒變形，鎂顆粒因此沿擠壓方向拉伸并發(fā)生轉(zhuǎn)動，顆粒界面形成明顯流線.擠壓后晶粒尺寸明顯減小，呈等軸狀，說明熱擠壓過程中鎂基體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，測得平均晶粒尺寸為9.8 μm.

圖3為擠壓樣品經(jīng)400℃退火30 min后縱剖面的顯微組織.顯微組織與退火前沒有明顯變化.退火后平均晶粒尺寸略有增長，為10.2 μm，在晶粒內(nèi)部可觀察到孿晶(見圖中放大部分)，擠壓態(tài)SiO2/Mg復(fù)合材料的極圖如圖4所示(極密度最大值已在極圖中標出).投影面為擠壓棒材ED/TD平面.可以看出，樣品形成強烈的＜101ˉ10＞晶向平行于擠壓軸向(ED)的纖維織構(gòu).

圖2 SiO2/Mg復(fù)合材料擠壓后的顯微組織

圖3 SiO2/Mg復(fù)合材料400℃/30 min退火后的顯微組織

圖4 熱擠壓處理后SiO2/Mg復(fù)合材料的極圖

擠壓態(tài)SiO2/Mg復(fù)合材料經(jīng)退火處理后的極圖見圖5.從圖上可以看出，退火后基體的織構(gòu)類型沒有發(fā)生變化，仍為 ＜101ˉ10＞晶向平行于擠壓軸向的纖維織構(gòu).不同的是{0002}極密度最大值由退火前的60 提高到72，而 {10ˉ10}和{11ˉ20}極密度最大值較退火前略有下降.M.T.Pérez-Prado等的研究認為這種現(xiàn)象主要是由基面平行于擠壓軸向的晶粒在退火過程中長大所致［6］.

圖5 SiO2/Mg復(fù)合材料經(jīng)400℃/30 min退火處理后的極圖

3 結(jié)論

(1)SiO2/Mg復(fù)合材料在400℃擠壓過程中發(fā)生再結(jié)晶，平均晶粒尺寸由擠壓前的39.6 μm下降到 9.8 μm;

(2)SiO2/Mg復(fù)合材料在擠壓過程中基體形成＜100＞//ED纖維織構(gòu);

(3)經(jīng)400℃(30 min退火后，鎂晶粒尺寸略有長大，上升到 10.2 μm;

(4)基體織構(gòu)類型在退火處理后沒有改變，不同的是{0002}極密度最大值由退火前的60提高到72，而{100}和{120}極密度最大值較退火前略有下降.

［1］KOJIMA Y.Platform science and technology for advanced magnesium alloy［J］.Materials Science Forum，2000，350-351:3-18.

［2］衛(wèi)愛麗，付珍，趙浩峰.鎂合金的生產(chǎn)及應(yīng)用［J］.鑄造設(shè)備研究，2003(1):34-37.

［3］訾炳濤，王輝.鎂合金及其在工業(yè)中的應(yīng)用［J］.稀有金屬，2004，28(1):229-232.

［4］曾小勤，王渠東，呂宜振，等.鎂合金應(yīng)用新進展［J］.鑄造，1998(11):39-43.

［5］PEKGULERYUZ M O.Magnesium Composites-A Critical Review.Proceedings of 1st(CANCOM91)Canadian International CompositesConference and Exhibition，Monteral［C］.［s.l.］:［s.n.］，1991.

［6］PéREZ-PRADO M T，RUANO O A.Texture evolution during grain growth in annealed MG AZ61 alloy［J］.Scripta Materialia，2003(48):59-64.