時效溫度對SCFs/AZ31B復合材料組織和性能的影響

宋嫡慧，李谷雨，許紅雨

時效溫度對SCFs/AZ31B復合材料組織和性能的影響

宋嫡慧，李谷雨，許紅雨

（哈爾濱理工大學 材料科學與化學工程學院，哈爾濱 150080）

探究提高固相合成SCFs/AZ31B鎂基復合材料力學性能的最佳時效溫度。采用固相合成工藝制備SCFs/AZ31B鎂基復合材料并在415 ℃固溶處理20 h，然后分別在155，175，195，215 ℃下進行20 h時效處理。采用金相顯微鏡（OM）與掃描電鏡（SEM）觀察微觀組織，并測試拉伸性能、硬度等力學性能，研究時效溫度對顯微組織及力學性能的影響。時效過程中，碳纖維穩(wěn)定存在于基體中。隨著時效溫度的升高，晶粒尺寸先增加后減小，175 ℃時效晶粒尺寸最小為14.84 μm，時效析出的第二相為Al2Mg。當時效時間為20 h、時效溫度為175 ℃時，材料的屈服強度、抗拉強度、伸長率和維氏硬度最高，分別為188 MPa，259 MPa，6.9%，70.2HV。在該實驗條件下，最佳時效溫度為175 ℃。隨著時效溫度的升高，第二相從非連續(xù)析出轉(zhuǎn)為連續(xù)析出。時效處理可以改善材料的力學性能。

AZ31B鎂合金；短碳纖維；固相合成；時效處理

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有輕量性、優(yōu)良的切削加工性、良好的導熱性能等，是一種綠色環(huán)保的金屬材料[1-2]。鎂合金材料絕對強度低、耐蝕性能差、膨脹系數(shù)高、耐磨損性能差等缺點，嚴重限制了鎂合金的工業(yè)應用。向鎂合金中添加不同種類的增強體制備鎂基復合材料，可以大大提高鎂合金的各種性能[3]。碳纖維是一種優(yōu)異的輕質(zhì)增強體，其比強度、比剛度高，密度與鎂接近。碳纖維的加入，可以提高鎂合金材料的強度和剛度，改善抗蠕變性能[4]，同時通過制備工藝的改變，可以實現(xiàn)定向控制材料性能。XU Hong-yu等[5]以短碳纖維（SCFs）為增強相，通過固相合成工藝制備了SCFs/AZ31復合材料，發(fā)現(xiàn)SCFs可以抑制位錯的運動，細化晶粒并顯著提高材料性能。復合材料的制備工藝中，固相合成工藝簡單、成本低廉、熱損傷小，而且結(jié)合球磨工藝可以大大提高增強體在基體中的分散性[6]。采用固相合成工藝，選擇適當?shù)臄D壓比、擠壓溫度等可以獲得更高強度的鎂基復合材料[7]。此外，YANG Zhao等[8]等通過固相合成工藝制備SCFs/AZ31B復合材料，固相合成工藝可以提高界面結(jié)合能力，所以復合材料結(jié)合良好，增強體分布均勻，材料晶粒得到了細化。同時，固相合成的SCFs/AZ31B復合材料屈服強度與抗拉強度較未擠壓態(tài)分別提高了41.21%和37%。

時效熱處理工藝可以使鎂合金析出不連續(xù)的第二相，降低鎂合金阻尼，提高材料性能[9-10]。復合材料時效過程中晶核來自基體，具有最佳時效時間與溫度[11]。復合材料中增強體加入使位錯密度升高，析出相更容易在基體中析出[12]。景艦輝等[13]采用半固態(tài)注射成形制備石墨烯/鎂基復合材料，研究時效時間對材料性能的影響，時效對石墨烯穩(wěn)定性沒有影響。時效時間增加，材料的斷裂方式從晶內(nèi)斷裂轉(zhuǎn)為晶間斷裂[14]。

文中以AZ31B鎂合金為基體，短碳纖維為增強體，采用固相合成工藝制備復合材料，并對復合材料進行固溶+時效處理，研究時效溫度對復合材料的影響。

1 實驗

實驗選用平均尺寸為(2～3) mm×(0.5～1) mm× 0.5 mm的AZ31B鎂合金屑為基體原料，微觀上切屑為鋸齒狀，如圖1a所示，其化學成分見表1。選用直徑為8 μm、長度為5～100 μm的短碳纖維（SCFs）為增強體材料，如圖1b所示，SCFs的質(zhì)量分數(shù)為3%。

固相合成工藝制備復合材料流程如下：將AZ31B鎂合金屑與SCFs裝入真空罐內(nèi)，采用FY-1H-N型真空泵抽真空2 min，在XQM-4型立式行星球磨機內(nèi)球磨混合均勻，球磨機轉(zhuǎn)速為400 r/min，球磨時間為30 min；球磨后將混合材料加熱至350 ℃保溫10 min，采用315T四柱式雙動液壓機將其熱壓成直徑40 mm的坯料，壓力為768 MPa，保壓25 s；將坯料置于模具內(nèi)加熱至400 ℃保溫30 min，擠出棒材，擠壓比為25︰1。采用HLG-24-6F型固熔爐對棒料進行固溶處理（固溶溫度為415 ℃，固溶時間為20 h，水冷），并采用HLG-18-3F型井式時效爐進行時效處理（時效時間為20 h，時效溫度分別為155，175，195，215 ℃，空冷）。在熱壓成坯、熱擠成棒、固溶和時效處理等加熱保溫過程中，使用CO2氣氛對坯料進行保護，以防止坯料在加熱過程中氧化或燃燒。

圖1 實驗材料的微觀形貌

表1 AZ31B鎂合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

Tab.1 Chemical composition of AZ31B magnesium alloy (mass fraction) %

采用日本OLYMPUS-GX71-6230A型金相顯微鏡觀察金相組織，腐蝕劑為0.5 g草酸、0.5 mL硝酸、0.5 mL冰乙酸、80 mL蒸餾水，使用Nano Measurer 1.2軟件對晶粒粒徑進行分析。拉伸試驗采用Instron5569型微機控制電子萬能材料試驗機，拉伸速度為1 mm/min，拉伸試樣如圖2所示。硬度試驗使用了萊州華銀試驗儀器有限公司生產(chǎn)的HVS-50型數(shù)顯維氏硬度計。斷口掃描和能譜分析采用的是FEI Quanta 200型掃描電鏡。

圖2 拉伸試樣示意

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓態(tài)和固溶態(tài)SCFs/AZ31B復合材料微觀組織

圖3為擠壓態(tài)SCFs/AZ31B復合材料的微觀組織，其中白色部分為α-Mg基體，在α-Mg晶粒之間呈網(wǎng)狀分布的黑色線條為β-Mg17Al12相，深黑色的條塊狀物質(zhì)為短碳纖維。在縱截面方向，短碳纖維沿著擠壓方向呈鏈狀分布，如圖3a所示；在橫截面方向，短碳纖維在AZ31B鎂合金基體上分布較為均勻，如圖3b所示。此外，在α-Mg基體中存在大量的細小等軸晶，存在小晶粒逐漸吞噬大晶粒的趨勢，經(jīng)過Nano Measurer 1.2軟件分析計算，平均晶粒尺寸為7.58 μm。這是因為在高溫擠壓過程中，鎂合金的塑性變形能力提高，變形程度增大，一方面提供的高剪切應力可使團聚的短碳纖維分散，并在基體流動應力的作用下短碳纖維均勻分布在鎂合金基體中；另一方面，劇烈的塑性變形和短碳纖維的加入促進了基體的動態(tài)再結(jié)晶行為，于是發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶。

圖3 擠壓態(tài)SCFs/AZ31B鎂基復合材料微觀組織

圖4為固溶態(tài)SCFs/AZ31B復合材料的縱截面（沿擠壓方向）微觀組織。復合材料在415 ℃溫度下固溶20 h后，晶界變得模糊，部分晶界消失，晶粒變得粗大。這是因為固溶過程中晶界處的β-Mg17Al12相逐漸溶解于α-Mg基體中形成過飽和固溶體，而且導致晶粒長大，經(jīng)計算固溶處理后平均晶粒粒徑為16.09 μm。

圖4 固溶態(tài)SCFs/AZ31B鎂基復合材料微觀組織

2.2 時效態(tài)SCFs/AZ31B復合材料微觀組織

圖5為時效時間20 h不同時效溫度的SCFs/ AZ31B復合材料的縱截面微觀組織。從圖5可觀察到，時效后的組織相比于固溶態(tài)晶粒形貌沒有顯著改變，晶粒尺寸有所減小。圖5a為時效溫度為155 ℃的微觀組織，第二相析出不明顯，晶粒大小不均，形貌沒有明顯變化。原子主要通過空位擴散，溫度升高至175 ℃后，空位數(shù)量增加，原子運動加劇，析出相數(shù)量增多，可以看出析出相主要分布于基體晶界，基體發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸更加均勻、形貌更為圓整，如圖5b所示。時效溫度升高為195 ℃，原子擴散加快，析出相尺寸與晶粒尺寸增大，如圖5c所示。時效溫度繼續(xù)升高為215 ℃時，晶界處顆粒相減少，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫?nèi)連續(xù)析出。通過Nano Measurer 1.2軟件對晶粒進行測量，155，175，195，215 ℃時效的平均晶粒大小分別為18.74，14.84，15.50，18.21 μm。

總體來說，基體中均勻地析出第二相，隨著時效溫度的增加，析出相的數(shù)量逐漸增加，從晶界不連續(xù)析出逐漸轉(zhuǎn)為晶內(nèi)不連續(xù)析出。平均晶粒尺寸呈先增加后減小的趨勢，時效溫度為175 ℃析出相數(shù)量較多。

圖5 時效溫度對SCFs/AZ31B鎂基復合材料微觀組織的影響

圖6為時效溫度為175 ℃的SCFs/AZ31B復合材料SEM照片。析出相彌散分布在復合材料基體晶粒內(nèi)部以及晶界周圍，尺寸均勻。碳纖維主要分布在合金屑與合金屑之間的表面，沿著晶界分布。第二相顆粒成分的EDS分析結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2能譜分析結(jié)果可知，基體晶粒內(nèi)部Mg的原子數(shù)分數(shù)約為84%，細小顆粒中Mg的原子數(shù)分數(shù)為18%，Al的原子數(shù)分數(shù)約為31%，Al與Mg的原子比接近2︰1，時效產(chǎn)生的析出相為Al2Mg。這是由于在時效初期，過飽和固溶體分解，溶質(zhì)原子富集形成G.P區(qū)，時效溫度升高，空位增多，溶質(zhì)原子富集有序區(qū)域生成早期不穩(wěn)定析出相Al2Mg，AZ31鎂合金中合金元素含量較低，溶質(zhì)原子減少，缺少結(jié)構(gòu)起伏，相變速率降低，從而基體中保留了Al2Mg顆粒。

圖6 175 ℃時效SCFs/AZ31B鎂基復合材料SEM圖片

表2 SCFs/AZ31B鎂基復合材料能譜分析結(jié)果（原子數(shù)分數(shù)）

Tab.2 EDS analysis results of SCFs/AZ31B Mg-based composites (atomic fraction) %

2.3 時效態(tài)SCFs/AZ31B復合材料力學性能

圖7為時效溫度對復合材料屈服強度和抗拉強度的影響。復合材料的屈服強度和抗拉強度都隨時效溫度的升高先增大后減小，并在保溫175 ℃時獲得了最大值，分別為188 MPa和259 MPa，固溶處理復合材料的屈服強度和抗拉強度分別為162 MPa和231 MPa，時效態(tài)較固溶態(tài)屈服強度提高了16%，抗拉強度提高了12 %。

圖8為時效溫度對復合材料伸長率的影響。隨著時效溫度的增加，復合材料的伸長率先升高后降低。175 ℃保溫復合材料的斷后伸長率最高，為6.9%，相較于固溶態(tài)的5.5%提高了25.5%，時效溫度繼續(xù)增加，復合材料的伸長率變化不大。圖9為時效溫度對復合材料顯微硬度的影響。復合材料的硬度隨時效溫度的增加先升高后降低，175 ℃時效硬度最高，為70.2HV，較固溶態(tài)60.3HV提高了16.4%。

綜上可見，復合材料的力學性能隨著時效溫度的升高均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。這是因為155 ℃保溫時原子擴散速度緩慢，析出相顆粒少，合金處于欠時效狀態(tài)，所達到的彌散強化程度低，析出相對滑移阻礙小，對復合材料強化作用較弱，同時晶粒的大小不均，存在粗大晶粒，因此復合材料力學性能較低。175 ℃保溫20 h后晶粒大小均勻，晶粒細小，析出相數(shù)量增多，對位錯及晶界阻礙作用增強，彌散強化與晶粒細化強化作用增強，因此復合材料力學性能較高。時效溫度過高，材料發(fā)生了過時效，晶粒尺寸與析出相顆粒粗大，降低了第二相對位錯運動的阻礙，造成材料的力學性能下降[13,15-17]。

圖7 時效溫度對SCFs/AZ31B鎂基復合材料屈服強度和抗拉強度的影響

圖8 時效溫度對SCFs/AZ31B鎂基復合材料延伸率的影響

圖9 時效溫度對SCFs/AZ31B復合材料硬度的影響

3 結(jié)論

1）采用固相合成工藝制備的SCFs/AZ31B鎂基復合材料中，碳纖維的分布主要沿著擠壓流線方向，隨著時效溫度的增加，由于發(fā)生再結(jié)晶和再結(jié)晶的長大，晶粒逐漸圓整，析出相增多。低溫時效析出相主要分布于晶界，溫度升高后逐漸連續(xù)分布于晶內(nèi)。

2）隨著時效溫度的增加，該鎂基復合材料的抗拉強度、屈服強度、伸長率和硬度均先增加后降低，且在175 ℃時效處理下得到了最大值。文中試驗條件下，當保溫20 h時，175 ℃時效處理可以在不降低伸長率的情況下獲得更好的力學性能。

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Effects of Aging Temperature on Microstructure and Properties of SCFs/AZ31 Composites

SONG Di-hui, LI Gu-yu, XU Hong-yu

(School of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

The work aims to explore the best aging temperature to improve the mechanical properties of SCFs/AZ31B Mg-based composites prepared by solid state synthesis process. SCFs/AZ31B Mg-based composites were prepared by solidstate synthesis process, and were solution treated at 415 ℃ for 20 h, then aged at 155, 175, 195, 215 ℃ for 20 h respectively. The microstructure was observed by metallographic microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). The mechanical properties such as tensile properties and hardness were tested to investigate the effects of aging temperature on microstructure and mechanical propertiesof SCFs/AZ31B Mg-based composites. During the aging process, carbon fibers stably existed in the matrix. With the increase of aging temperature, the grain size first increased and then decreased. The minimum grain size was 14.84 μm after aging at 175 ℃. The second phase precipitated during aging was Al2Mg. When aged at 175 ℃ for 20 h, the yield strength, tensile strength, elongation and vickers hardness ofSCFs/AZ31B composites were the highest, which were 188 MPa, 259 MPa, 6.9% and 70.2HV, respectively. Under this experimental condition, the best aging temperature was 175 ℃.With the increase of aging temperature, the second phase changes from discontinuous precipitation to continuous precipitation. Aging treatment can improve the mechanical properties of materials.

AZ31B magnesium alloy; short carbon fiber; solid phase synthesis; aging treatment

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.010

TG146.2+2

A

1674-6457(2022)02-0060-06

2021-08-02

國家自然科學基金（51704087）；黑龍江省自然科學基金（LH2020E083）

宋嫡慧（1997—），女，碩士生，主要研究方向為鎂基復合材料。

許紅雨（1983—），男，博士，副教授，主要研究方向為鎂基復合材料、鎂合金半固態(tài)成形、擠壓鑄造成形。