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熱處理對電磁攪拌鋅基復合材料力學(xué)性能的影響
引言
鋅合金因具有良好的室溫力學(xué)性能和耐磨減摩性能而被廣泛用作大負荷條件下的滑動(dòng)軸承材料[1-4]。但是，鋅合金的高溫強度差也是不可忽略的，這必然會(huì )影響其使用性能、限制其應用范圍。而鋅的熔點(diǎn)低是造成鋅鋁合金高溫性能差的根源，雖然大幅度提高含鋁量可以提高鋅基合金的液相線(xiàn)溫度，但在常規鑄造條件下，總要產(chǎn)生宏觀(guān)偏析形成的低熔點(diǎn)共晶區。近年來(lái)，電磁攪拌技術(shù)的發(fā)展和應用，使材料的力學(xué)性能發(fā)生了突破性改變。目前,具有實(shí)用化前景的電磁攪拌凝固技術(shù)己日趨成熟,這為大幅度提高鋅基材料的力學(xué)性能提供了一種嶄新的技術(shù)手段[5-6]。利用電磁攪拌技術(shù)制備納米顆粒增鋅基復合材料，國內外報道的較少，相應的成形基本問(wèn)題和性能等許多應用基礎研究工作和產(chǎn)品的實(shí)用性研究均需要開(kāi)展。這一領(lǐng)域的研究既可豐富已有的鋅材料的成形、凝固、磨損和腐蝕理論，也可作為一種新材料而擴大鋅材料的應用范圍，具有重要的理論意義和應用價(jià)值。本文利用直流橫向穩恒磁場(chǎng)，制備了納米TiC 顆粒增強鋅基復合材料，研究了熱處理工藝對鋅基復合材料材料力學(xué)性能的影響。
1 實(shí)驗過(guò)程
1.1 實(shí)驗材料與設備
實(shí)驗用的合金基體為 ZA35 合金，主要原材料為純鋅，純鋁，鎂，銅和錳。其中Cu 和Mn 分別以A1-50%Cu 中間合金和Al-10%Mn 中間合金形式加入。合金成分為Zn-35%Al-1.0%Mn-2.5%Cu-0.1Mg(質(zhì)量分數)。納米TiC 顆粒從合肥開(kāi)爾納米能源科技有限公司購進(jìn)，粒度為40nm，向基體ZA35 合金中加入量為7.5%(體積分數)。
電磁攪拌所用磁場(chǎng)由直流穩恒磁場(chǎng)發(fā)生器提供。磁場(chǎng)裝置中的基座和磁極都采用導磁性良好的硅鋼片制作，磁極間距在0-200mm范圍內可調。磁極的截面積為140×140mm。在中的磁回路中繞有兩個(gè)線(xiàn)圈，它們的大小相同，具有相同的匝數和電阻，磁感應強度的大小通過(guò)調節線(xiàn)路中的電流強度來(lái)控制。實(shí)驗中采用ZXGl-250弧焊整流器來(lái)調節電壓，改變線(xiàn)路中電流大小，從而調整直流穩恒磁感應強度的大小。復合材料的凝固在水平定向凝固裝置上實(shí)現，根據前期研究結果[7]，實(shí)驗選適宜的電流值為100A。
復合材料的熱處理在中溫箱式電阻爐中進(jìn)行。
1.2 實(shí)驗方法
拉伸試驗是在 CSS-55100 電子萬(wàn)能拉伸試驗機上進(jìn)行的，拉伸的速率為0.3mm/s，拉伸試樣的尺寸所示。
硬度測試是在HB-3000 型布氏硬度計試驗機上進(jìn)行的，載荷為62.5KG，鋼球直徑5mm，加載時(shí)間30s。每個(gè)試樣測試3 個(gè)點(diǎn)，通過(guò)硬度表查出每個(gè)點(diǎn)的硬度值，取其算術(shù)平均值。
材料斷口觀(guān)察利用SSX-550 型掃描電子顯微鏡（ SEM） 。腐蝕劑的配制成分為20gCrO3，15g Na2SO4 和100mlH2O。
2 實(shí)驗結果及分析
2.1 正交實(shí)驗方案設計及實(shí)驗結果
本實(shí)驗以抗拉強度（σb）、硬度（HB）以及伸長(cháng)率（δ）為實(shí)驗指標，選擇固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度以及時(shí)效時(shí)間為影響因素，對體積分數為7.5%的 TiC/ZA35 復合材料進(jìn)行正交實(shí)驗，選用L9（34）正交試驗表。為實(shí)驗因素表，表2 為實(shí)驗安排及結果表。
2.2 正交實(shí)驗結果分析
在得出正交試驗數據后需要對試驗數據進(jìn)行顯著(zhù)性水平分析，正交試驗數據分析方法有很多，比如回歸分析法、方差分析法和級差分析法等，本實(shí)驗采用級差分析法。為了能夠更直觀(guān)地看到試驗指標隨各因素的變化趨勢，將計算結果繪制成圖，所得結果。
根據前期研究結果[7]，納米TiC 顆粒加入量為7.5%（體積百分數）時(shí)，TiC/ZA35 復合材料拉伸強度達到410.5MPa，伸長(cháng)率4.67%，HB 硬度122.4。從中可以看出對TiC/ZA35復合材料進(jìn)行熱處理，其抗拉強度明顯比未處理有所提高。當延長(cháng)固溶時(shí)間，復合材料的抗拉強度隨之增加。由于固溶時(shí)間的延長(cháng)，使TiC 顆粒更加充分的于基體結合，在基體中分布的更加均勻，抗拉強度明顯提高。當固溶溫度達到350℃時(shí)，此時(shí)已經(jīng)快接近低熔點(diǎn)共晶物的熔點(diǎn)，晶界有熔化的趨勢，此時(shí)的抗拉強度會(huì )明顯降低。固溶溫度升高時(shí)基體ZA35 中β相含量增加，當溫度高于340℃后，析出顯微結構為層片狀的α/相，使抗拉強度下降。各因素影響主次順序為：B?A?C?D。從中可以看出TiC/ZA35 復合材料進(jìn)行熱處理，其伸長(cháng)率明顯比未處理有所升高。隨固溶溫度和時(shí)效溫度的升高，復合材料的伸長(cháng)率也明顯增加，固溶和時(shí)效時(shí)間的延長(cháng)，復合材料的伸長(cháng)率都是先下降然后上升。各因素影響主次順序為：A?B=D?C。從中可以看出隨時(shí)效溫度的升高，復合材料的硬度值反而下降。固溶溫度和時(shí)效時(shí)間對硬度值的影響不大。隨固溶時(shí)間的增加，試樣的硬度值先上升然后下降。
主要原因是：時(shí)效溫度和固溶時(shí)間的延長(cháng)使基體與增強顆粒之間的連續性發(fā)生變化。由于合金元素的析出降低了固溶強化效果，析出的合金元素聚集在晶界形成新相，溫度越高新相聚集長(cháng)大越明顯，破壞了晶界的連續性，所以硬度會(huì )明顯降低。各因素影響主次順序為：B?C?D?A。此外，總體上熱處理后材料的硬度值較未熱處理材料的硬度值無(wú)明顯提高，即熱處理對該復合材料硬度影響并不明顯。
綜合上述分析，考慮各因素影響的主次順序，本實(shí)驗選擇合適的熱處理工藝為固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h，即取A2B2C1D3 組合。在正交實(shí)驗安排中并未包含此實(shí)驗，進(jìn)行追加補充實(shí)驗，得到在該熱處理工藝下，復合材料的拉伸強度達到476.8MPa，伸長(cháng)率6.51%，HB 硬度123.7。
2.3 復合材料拉伸斷口分析
對 ZA35 合金、納米TiC 增強鋅基復合材料、以及經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h 的熱處理后的納米TiC 增強鋅基復合材料拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡觀(guān)察，結果見(jiàn)。
ZA35 合金的拉伸斷口呈杯錐狀，斷口的微觀(guān)特征是沿晶斷裂�？赡苁怯捎诰Ы缟系囊槐舆B續或不連續脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續性所造成，也可能是雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起的。也可看到少量標志塑性斷裂的韌窩，但主要是呈解理斷裂的脆性特征。
同時(shí)，還能看到晶界上有較深的孔洞存在，這些孔洞或者是由于晶界上第二相質(zhì)點(diǎn)在拉伸過(guò)程中因其周邊產(chǎn)生裂隙而脫落所形成，或者本身形成的缺陷。TiC/ZA35 復合材料拉伸斷口由大量韌窩所組成，呈現典型的塑性斷裂特征，但韌窩大小并不均勻。
TiC/ZA35 復合材料經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h 的熱處理后塑性斷裂特征明顯，韌窩數量多，均勻細小。脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒(méi)有明顯的征兆。斷口平齊而光亮，呈放射狀或結晶狀。韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀(guān)塑性變形的斷裂。這種斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程。當拉伸試樣受到拉伸力作用，在實(shí)驗力達到拉伸力—伸長(cháng)曲線(xiàn)最高點(diǎn)時(shí)，便在試樣局部區域產(chǎn)生縮頸，同時(shí)試樣的應力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿�，且中心軸向應力最大。在三向拉應力的作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離而形成微孔，微孔不斷長(cháng)大和聚合就形成纖維裂紋[8]。
3 結論
�。�1）經(jīng)330℃固溶5h,120℃時(shí)效8h 的7.5%TiC/ZA35 復合材料其抗拉強度、伸長(cháng)率、硬度高于未處理的7.5%TiC/ZA35 復合材料。本實(shí)驗條件下，其抗拉強度可達476.8MPa，伸長(cháng)率6.51%，HB 硬度123.7。
�。�2）TiC/ZA35 復合材料經(jīng)固溶溫度330℃，固溶時(shí)間5h，時(shí)效溫度120℃，時(shí)效時(shí)間8h 的熱處理后塑性斷裂特征明顯，韌窩數量多，均勻細小。
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