TiB2增強Al-18%Si復合材料的硬度測試與斷口分析

張保林

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000）

TiB2增強Al-18%Si復合材料的硬度測試與斷口分析

張保林

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000）

將KFB4與TiO2混合后加入Al-18%Si熔體，通過熔體直接反應方法，制備出TiB2/Al-18%Si顆粒增強復合材料，并測試其硬度，分析其斷口形貌，探討斷裂機制。結果表明：TiB2/Al-18%Si硬度比Al-18%Si的硬度增加了39.7%，抗拉強度增加了31.2%，其斷口屬于混合斷裂。

復合材料；硬度測試；斷口分析

0 引言

顆粒增強鋁基復合材料是將陶瓷顆粒增強相外加或自生進入鋁基體中得到兼有鋁優點（韌性和塑性好）和增強顆粒優點（高硬度和高模量）的復合材料[1]，其常用的制備方法是混合鹽原位反應法。本文以成本更低廉的TiO2代替K2TiF6，與KFB4混合一起加入過共晶Al-18%Si合金當中，采用熔體直接反應制備出TiB2/Al-18%Si復合材料，同時測試它的硬度，并且簡要分析了其斷裂機理。

1 試驗材料和方法

在熔煉爐內，將配制好的Al-18%Si基體合金加熱到1 000 ℃，保溫10 min后，加入球磨后KFB4和工業純TiO2混合粉末壓塊，快速用石墨棒攪拌，使粉末壓塊與鋁合金熔體發生原位反應。在反應完成后，當熔體溫度降至760 ℃時加入精煉劑和變質劑，靜置20 min，再扒去熔渣，溫度降至750 ℃時出爐澆注到金屬模型后制樣進行測試分析。表1為試驗材料的物理性能。

2 試驗結果與分析

原位制備的鋁基復合材料中增強相的形狀、尺寸和空間分布在很大程度上影響復合材料的整體力學性能[2]。

表1 試驗材料物理性能

2.1 TiB2/Al-18%Si復合材料組織分析

從圖1可以看出，復合材料中反應生成的白色細小顆粒為TiB2，其尺寸基本小于1.0 μm，呈不規則多邊形，大多數均勻彌散分布在基體中。但是，從表1數據可知，鋁合金的密度與TiB2的密度相差較大，因此，原位生成的TiB2顆粒易產生沉降而形成局部團聚。同時由于TiB2顆粒尺寸細小，其表面能較大，在鑄造條件下容易通過團聚來降低自身表面能。

圖1 TiB2/Al-18%Si復合材料的SEM

為了減少TiB2顆粒的局部團聚現象，試驗中可以采用提高反應溫度、分批加混合物壓塊，快速攪拌等工藝措施。

2.2 TiB2/Al-18%Si復合材料硬度測試分析

用布氏硬度測試方法測試 TiB2/Al-18%Si復合材料和Al-18%Si的硬度值。測試時，對基體合金和制備的復合材料試樣每個取6個不同位置進行測量，取其平均值作為該材料的硬度值。表2為所測材料的布氏硬度值（HB）。

表2 布氏硬度的測試結果 HB

從表2數據可以明顯看到，TiB2/Al-18%Si的硬度要比基體合金的硬度高，將近增加了39.7%。從增強機制上分析是因為原位反應生成的TiB2顆粒細小，并且大多數在基體內彌散均勻分布，有效地阻礙了位錯運動，彌散強化了基體合金的力學性能；同時TiB2顆粒可以作為異質形核核心，能細化合金晶粒，起到細晶強化作用，從而使復合材料的硬度提高。

2.3 TiB2/Al-18%Si復合材料斷口分析

對TiB2/Al-18%Si復合材料和Al-18%Si基體合金進行室溫拉伸測試， 所測結果見表3。

表3 TiB2/Al-18%Si復合材料與基體合金的抗拉強度、延伸率

從表3數據可知，顆粒增強復合材料比基體合金室溫抗拉強度增加了31.2%，韌性下降了38.9%。分析其原因在于復合材料中原位生成的高強度、高彈性模量的TiB2顆粒會阻礙位錯運動，導致在增強顆粒TiB2周圍形成位錯環，進一步增加了位錯運動的阻力，反應生成的增強顆粒TiB2越多，對位錯運動的阻力就越大，使得復合材料的抗拉強度在增加，韌性下降。

（1）圖2.a為基體合金Al-18Si室溫拉伸斷口SEM，由圖可見，基體合金Al-18Si的斷口上，出現了河流狀花樣，為解理斷裂，屬于脆性斷裂。但是從微觀細節上，還是發現了有一小部分韌窩斷裂的特征。α相基體在斷裂過程中承載了大部分的塑性變形，在硅顆粒的周圍產生了長條狀撕裂棱和韌窩，因為受到硅顆粒分布的影響，韌窩的形狀不規則，數量較少，分布也不均勻[3]。因此，過共晶Al-18%Si合金的斷裂方式是一種以脆性斷裂為主的混合斷裂。

圖2 Al-18%Si合金和TiB2/Al-18%Si復合材料室溫拉伸斷口SEM

（2）圖2.b為鑄態的TiB2/Al-18%Si復合材料態室溫拉伸斷口SEM，由圖可見，斷口中既有韌性斷裂特征的韌窩，又有脆性斷裂特征的解理面，屬于混合斷裂，但脆性斷裂的解理面占多數。原因在于復合材料中有尺寸較大的Si顆粒和細小的TiB2顆粒，兩者尺寸相差較大，所以，斷裂形式也不相同。較大的Si顆粒周圍由于缺陷較多，容易發生解理脆性斷裂，而在細小TiB2顆粒的區域，基體容易發生塑性變形，使得TiB2顆粒周圍存在少量的撕裂棱和韌窩。但是隨著反應生成的增強顆粒TiB2的增加，復合材料斷口中的韌性特征將會明顯減少[4]。因此，鑄態的TiB2/Al-18%Si復合材料的斷裂方式也是混合斷裂。

通過斷裂方式分析可知，復合材料在受外力時，抗拉強度在穩步提高，塑韌性并沒有急劇降低，其原因在于原位生成的細小TiB2顆粒不僅增加了位錯運動的阻力，而且同時細化了基體合金，使復合材料強硬度提高，塑韌性得到改善，最終使復合材料擁有較好的使用性能。

3 結語

（1）采用合理的工藝，可以用TiO2與KFB4的混合粉末與鋁熔體原位反應制備出TiB2/Al-18%Si復合材料。

（2）制備的TiB2/Al-18%Si復合材料硬度比過共晶Al-18%Si合金提高39.7%，室溫抗拉強度增加31.2%，而顆粒增強體對基體材料連續性的破壞作用及形變硬化使復合材料的延伸率有所降低。

（3）TiB2/Al-18%Si原位復合材料的斷口中既有韌性斷裂特征的韌窩，又有脆性斷裂特征的解理面，屬于混合斷裂方式。

[1] 林師朋，劉金炎，紀艷麗.鋁基復合材料的增強體研究及發展現狀［J］．有色金屬加工，2016，45(6)：6-11.

[2] 張保林.（TiB2+Al3Ti）/ZL102復合材料的硬度測試與增強機理分析［J］．中國鑄造裝備與技術，2017(3)：9-11.

[3] 王強強.TiB2顆粒增強Al-18%Si基復合材料的制備工藝和性能研究[D].蘭州理工大學.2011.

[4] 蘭曄峰, 王強強, 李慶林,等.原位反應制備 TiB2顆粒增強Al-Si 基復合材料的研究［J］．熱加工工藝，2011，40(4)：63-66.

Hardness test and fracture analysis of TiB2/Al-18%Si composites

ZHANG BaoLin
（Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, Shaanxi ,China）

Using KFB4and TiO2mixing Al-18%Si melt in-situ reaction method to prepare TiB2/ Al-18%Si particle reinforced composites,to test the hardness and analyze its fracture morphology, study the fracture mechanism.The results show: the hardness of TiB2/Al-18%Si is increased by 39.7%, the tensile strength is increased by 31.2% compared of Al-18%Si., and the fracture is mixed fracture.

composite materials; hardness test; fracture analysis

TG146.21:TB333.1；

A；

1006-9658（2017）04-0035-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.010

陜西工業職業技術學院基金項目（編號：14KCGG—001）

2017-05-02

稿件編號:1705-1769

張保林（1980—），男，講師，碩士研究生，主要從事金屬材料檢測的教學和研究.