Влияние на механические свойства гибридных алюминиевометаллических матричных композитов
Аннотация: Гибридные композиты - это те композиты, которые имеют комбинацию из двух или
более подкреплений в одной матрице.
В этом исследовании гибридные алюминиево-металлические матричные композиты были
изготовлены с использованием технологии литья с перемешиванием. Рассматриваются
гибридные композиты с тремя усилениями, такими как оксид алюминия (Al2O3), карбид кремния
(SiC) и карбид бора (B4C) в различных пропорциях, и алюминиевый сплав 6061-T6 (Al6061) в
качестве матрицы базового сплава. Позже композиты из литого алюминия и металла были
обработаны в соответствии со стандартами ASTM с необходимыми размерами. Механические
испытания, такие как растяжение, изгиб, удар по Шарпи, испытания на твердость по Бринеллю,
проводились на композитах, изготовленных по заказу, для оценки влияния подкрепления.
Морфологическое исследование композитов проводится с помощью сканирующего электронного
микроскопа (СЭМ). Результаты теста были изучены и проанализированы. Ключевые слова: сплав
Al6061-T6, глинозем, карбид бора, литье с перемешиванием, карбид кремния, механические
свойства, SEM.
1. ВВЕДЕНИЕ
Металлические матричные композиты (ГМК) изготавливаются путем рассеивания армирующих
элементов в металлической матрице. Эти подкрепления могут быть из металлов, керамики и
органических соединений. Усиление добавляется для улучшения свойств основного металла во
всех дисциплинах, таких как физические, механические и электрические [1]. Механические
свойства, такие как жесткость, прочность, изгибная жесткость, твердость и т. Д., Повышаются в
композитах по сравнению с основным металлом [2, 3]. Многие дизайнеры имеют множество
концепций относительно своих желаемых компонентов, а композиты с металлической матрицей
отвечают всем требованиям и производят новые отливки с особыми требованиями наряду с
новыми инженерными приложениями.
Как правило, такие металлы, как титан, сталь, магний, никель, медь и алюминий, являются
предпочтительными для производства ГМК. Из них алюминий широко используется из-за его
малого веса, высокой жесткости, прочности, хороших механических и электрических свойств,
хороших отражающих свойств, непроницаемости и экономичности [6, 7]. Дополнительные
свойства, такие как хорошая коррозионная стойкость и лучшая демпфирующая способность, могут
быть получены с помощью Aluminium Metal Matrix
Композиты (АММК). AMMC широко используются в автомобильной, авиационной, морской,
аэрокосмической и различных областях [8, 9]. Эффективность этих материалов в основном зависит
от выбора правильной комбинации армирующих материалов.
Как правило, керамика, такая как карбид кремния, летучая зола, графен, глинозем и т. Д.,
Используется в качестве основного подкрепления [10,11]. Алюминиевый сплав 6061 выбран в
качестве матрицы из сплава основного металла, поскольку он обладает средней и высокой
прочностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Метод литья с
перемешиванием, как правило, предпочтителен для изготовления алюминиевого композита,
поскольку он обладает высокой гибкостью и эффективностью в целом [12, 13].
II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
A. Матрица: сплав Al 6061-T6 используется в качестве матрицы, потому что его легкость
доступность. Этот сплав является закаленным сплавом, содержащим магний, а кремний имеет
основные элементы. Он имеет хорошие механические свойства, такие как хорошие
характеристики соединения, хорошую обрабатываемость, умеренную и высокую прочность и
хорошее применение нанесенных покрытий, и его можно широко использовать в авиационной
арматуре, муфтах, морской арматуре,
гидравлические поршни и т. д.
B. Al2O3:
Оксид алюминия или глинозем имеет химический состав алюминия и кислорода. Его можно
использовать в качестве абразива из-за его высокой твердости. Обладает высокой
теплопроводностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Его можно использовать в
качестве режущего инструмента, бронежилета из-за его высокой проникающей способности и
ударной вязкости.
C. B4C:
Карбид бора является одним из лучших керамических материалов, используемых в
промышленности.
из-за его превосходных механических свойств, таких как высокая прочность, ударная вязкость,
жесткость, твердость и низкая плотность. Это третий самый твердый материал после алмаза и
нитрида бора. Обладает хорошей ионизационной стабильностью и хорошей способностью
поглощать нейтроны. Карбид бора не может быть спечен без использования спекающих кислот.
D. SiC:
Карбид кремния обладает отличной устойчивостью к кислотам, щелочам, расплавленным солям.
Обладает высокой пластичностью. Он обладает высокой теплопроводностью и низким тепловым
расширением, что позволяет использовать его в качестве термостойкого материала.
III. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
E. Перемешивание Кастинг:
Casting Casting, также известный как Rheo Casting. Это технология изготовления в жидком
состоянии, используемая для производства отливок. В этом методе основной металл
расплавляется до полутвердого состояния, а в расплавленный металл добавляется арматура и
перемешивается с помощью механической мешалки. Основная функция мешалки заключается в
поддержании равномерного нагрева расплавленного металла. После достижения требуемой
вязкости расплавленного металла конечный композит может затвердеть в матрице или прессформе. Кастинг Stir является экономически эффективным и
Самая простая техника и в основном используется для изготовления алюминиевых отливок.
Однородность дисперсной фазы в расплавленном металле зависит от вихря, создаваемого
мешалкой.
IV. SAMPLES DESCRIPTION (описание образцов)
V. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГИБРИДА АЛЮМИНИЯ
Композиты
Подробный пошаговый процесс изготовления был объяснен ниже.
Этап 1: Первоначально печь предварительно нагревали и поддерживали при температуре 900 ° C.
Позже, куски измельченного сплава Al-6061 хранили в тигле и помещали в печь.
Шаг 2: Затем в печи металлический сплав расплавляется до полутвердого состояния при 750 ° С, и
время, необходимое для плавления, составляет 1,5 часа.
Одновременно армирующие порошки оборачивают в алюминиевую фольгу и предварительно
нагревают до 400 ° С для удаления влаги.
Стадия 3: таблетка дегазатора, называемая твердым гексахлорэтаном (C2Cl6), используется для
удаления влаги в расплавленном металле. Теперь в полутвердый расплавленный металл были
добавлены подкрепления в трехстадийном процессе смешивания для правильного
распределения дисперсной фазы.
Стадия 4. Раствор перемешивают в тигле с помощью механической мешалки при 500 об / мин в
течение пяти минут. Теперь перемешанный раствор вынимается из печи и сразу же выливается в
постоянную форму для литья, которая имеет четыре канала, поэтому мы можем получить четыре
образца для каждой композиции.
Шаг 5: Позже, после затвердевания, образцы были извлечены из формы, и тот же процесс
повторяется для следующих двух композиций.
Шаг 6: Всего 12 образцов были подвергнуты вторичной механической обработке, такой как
полировка, резка, шлифование, точение, чтобы получить желаемые формы в соответствии со
стандартами ASTM.
Испытания, такие как растяжение, твердость, удар и изгиб были проведены на образцах, и
результаты сравниваются с необработанным сплавом Al-6061.
VII. ТЕСТИРОВАНИЕ
F. Испытание на растяжение:
Испытание на растяжение также известно как испытание на растяжение и является
фундаментальным материалом и инженерным испытанием, в котором образец подвергается
контролируемому растяжению до разрушения.
Образцы были подготовлены в соответствии со стандартами ASTM E8, и испытание проводилось
на компьютеризированной универсальной испытательной машине Instron 8801, которая может
выдерживать максимальную нагрузку 100 кН.
Во время испытания, когда образец помещается в челюсти, и нагрузка прикладывается
постепенно, в определенной точке начинается сдавливание, и при дальнейшем увеличении
нагрузки в образцах возникает особая деформация, и в определенный момент машина
обнаруживает внутренний разрыв в образце и точку, в которой происходит внутренний перелом,
известный как точка перелома. Подготовленные образцы представлены в форме, приведенной
ниже.
VIII. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
J. Испытание на растяжение:
Приведенные выше графики представляют предел прочности при растяжении, и модуль Юнга
является высоким для образца 1, а не для других трех образцов. Это потому, что три
подкрепления помогают придать алюминиевым сплавам высокие механические свойства.
Образец 3 имеет хороший предел прочности на растяжение и модуль Юнга, чем образец 2, из-за
высоких значений прочности и вязкости карбида бора по сравнению с другими усилителями.
Ударная нагрузка К. Шарпи:
Приведенный выше график представляет результаты испытаний на ударную вязкость по Шарпи.
Это ясно показывает хронологический порядок вязкости образцов. Smaple 1 имеет высокую
ударную вязкость и поглощает высокую энергию, за которой следуют три других образца.
Микроструктура образцов:
На приведенном выше рисунке показаны изображения микроструктуры образца 1, который
содержит Al2O3, SiC, B4C в качестве подкрепления в диапазонах 3000X и 4000X. Микроструктурное
изображение также показало, что между арматурой и алюминиевой матрицей имеется хорошее
межфазное соединение благодаря равномерному распределению арматуры по всей матрице.
Следовательно, механические свойства образца выше благодаря улучшению кристалличности
образца.
Также черная зона на изображении обозначает микротрещины и пористость в образце.
На приведенном выше рисунке показана микроструктура образца 2, который состоит из Al2O3 и
SiC в качестве подкрепления. На рисунке 1 более темная зона состоит из частиц SiC, а более
светлая зона состоит из частиц Al2O3. На рисунке 1 показано накопление подкрепления из-за
неправильного перемешивания. На рисунке 2 показано, что подкрепления матрицы расположены
преимущественно в центре изображения благодаря равномерному распределению
подкреплений в этом конкретном объеме. Однако при сравнении с образцом 1 наблюдается
только небольшое количество частиц, образующих связь.
Эти микроструктурные изображения демонстрируют свойства образца 3, который состоит из B4C в
качестве армирующего материала. Выше изображения в диапазонах 3000X и 7500X. На этих
фигурах 0 показано накопление армирования B4C из-за неправильного перемешивания, но имеет
хорошее межфазное соединение между частицами Al и B4C из-за равномерного распределения
подкрепление по всей матрице. Это помогает достичь высоких механических свойств по
сравнению с образцом 2. Черная область на изображениях указывает на микротрещины и
пористость в образце.
IX. ВЫВОДЫ
1. Гибридные композиты и композиты были произведены
методом литья с перемешиванием в трехстадийном процессе смешивания.
2. Испытание на растяжение указывает, образец 1 имеет высокую предел прочности на
растяжение, а модуль Юнга и образец стоят на втором месте с хорошими результатами,
показывающими, что они обладают высокой прочностью.
3. Испытание на удар по Шарпи дает результаты высокой ударной вязкости для образца 1 и
образца 2, это означает, что образцы 1 и 2 поглощают большее количество энергии для
разрушения.
Испытание твердости 4.Brinell показывает значение твердости для образца
1 и образец 3 больше, чем другие 2 образца, что означает, что они имеют хорошую стойкость к
пластической деформации.
5. Испытание на изгибную жесткость показывает, что образец 1 и образец 3 демонстрируют
низкое прогибание из-за их высокого внутреннего сопротивления изгибу. Образец 2 и образец 4
демонстрируют высокое отклонение из-за их пластичности.
6. Через сканирующий электронный микроскоп было отмечено, что подкрепления были
неравномерно распределены в матрице из-за неправильного перемешивания. Но они обладают
хорошей межфазной связью с матрицей, которая повышает механические свойства композитов.
7. Было отмечено, что образец 3, который состоит из карбида бора в качестве упрочняющего
материала, имеет больше механических свойств, чем гибридный композитный образец 2,
поскольку карбид бора обладает превосходными свойствами, поэтому его можно заменить
одним Al2O3 и B4C.
Обработка и свойства композитов Al–Li–SiCp
Аннотация Компоненты Al-Li-SiCp были изготовлены по модифицированной версии
обычной технологии литья с перемешиванием. Были изготовлены композиты,
содержащие 8, 12 и 18 об.% Частиц SiC (40 мм). Были определены твердость, прочность на
растяжение и сжатие неармированного сплава и композитов. Кинетика старения и
влияние старения на свойства были также исследованы. Добавки частиц SiC увеличивают
твердость, 0,2% предела прочности, предел прочности при растяжении и модуль
упругости Al – Li – 8% SiC и Al – Li – 12% SiC. В случае композита, армированного 18% -ными
частицами SiC, хотя модуль упругости увеличивается, предел прочности на 0,2% и
прочность на сжатие были лишь незначительно выше, чем у неармированного сплава и
ниже, чем у Al – Li – 8% SiC и Al – Li – 12%. SiC композиты. Кластеризация частиц SiC, повидимому, ответственна за снижение прочности композита Al – Li – 18% SiC. Поверхность
разрушения неармированного сплава Al-Li 8090 (8090Al) имеет ямочковатую структуру,
что указывает на пластичный режим разрушения. Разрушение в композитах происходит
смешанным способом, что приводит к бимодальному распределению ямочек на
поверхности разрушения. Расщепление частиц SiC также наблюдалось на поверхности
разрушения композитов. Композиты показывают более высокую пиковую твердость и
более низкое время пикового старения по сравнению с неармированным сплавом 8090Al.
Макро- и микротвердость значительно возрастают после пика старения. Старение также
приводит к значительному улучшению прочности неармированного сплава 8090Al и его
композитов. Это связано с образованием осадков (Al3Li) и (Al2CuMg) в процессе старения.
Удлинение на процентную долю, однако, уменьшается из-за старения. Al – Li – 12% SiC,
который демонстрирует незначительно более низкое значение UTS и прочность на
сжатие, чем композит Al – Li – 8% SiC в экструдированном состоянии, демонстрирует
более высокую прочность, чем Al – Li – 8% SiC в пиковом возрасте.
Introduction
В последние годы использование композитных матричных композитов, армированных
керамическими частицами, постоянно увеличивается. Алюминиево-матричные
композиты (АМС) получили широкое признание в последние три десятилетия благодаря
их высокой удельной прочности, жесткости и превосходной износостойкости [1–4]. , Был
разработан ряд способов обработки для изготовления композитов с волокнистыми
частицами / усами / короткими волокнами. Хотя эти способы способны генерировать
материал с высоким микроструктурным качеством, их широкое использование
ограничено из-за высоких затрат, связанных со многими из этих способов.
Перемешивание в расплаве или технология литья с перемешиванием в настоящее время
является одним из самых простых и экономически выгодных способов изготовления,
используемых для изготовления армированных частицами композитов. Тем не менее, для
достижения
высокой
степени
микроструктурной
целостности
необходимо
контролировать большое количество переменных процесса. Использование
неоптимальных параметров может привести к микроструктуре с низкой плотностью и
низкому качеству, что приведет к ухудшению механических свойств. Постоянная
потребность в более высокой эффективности использования топлива в аэрокосмической и
автомобильной промышленности привела к разработке сплавов Al-Li с низкой
плотностью. Добавление 1% Li может снизить плотность примерно на 3%, одновременно
увеличивая прочность и жесткость [5]. Вполне логично подумать о армировании
алюминиево-литиевых сплавов керамическими частицами, чтобы добиться дальнейшего
увеличения прочности и жесткости. Хотя некоторые исследования были проведены на
композитах на основе сплава Al – Li в последние годы [6–9], композиты на основе сплава
Al – Li получили относительно ограниченное внимание. Это может быть связано с
опасностями, связанными с литиевым обращением во время легирования. Тщательно
поддерживаемая атмосфера или вакуум необходимы для предотвращения потери Li и
связанной с этим опасности пожара / горения при температуре обработки, и все это
приводит к высоким затратам на обработку / материалы. В этом исследовании была
использована простая и экономически эффективная экспериментальная установка,
модифицировавшая обычную технику литья с перемешиванием для изготовления Al-LiSiCp-композитов. Кроме того, были изучены механические свойства диспергированных
частиц SiCp-композитов SiC и их кинетика упрочнения при старении
Экспериментальная процедура
2.1. Подбор материала и подготовка композита
Алюминиевый сплав, используемый в качестве материала матрицы в настоящем
исследовании, представляет собой сплав Al90 Li (8090Al), элементный состав которого
приведен в таблице 1. Частицы SiC, используемые в качестве армирования, имели
средний размер 40 мм. Экспериментальная установка, используемая для изготовления
композитов, представляет собой простую модификацию обычной техники
перемешивания в расплаве, которая была подробно описана Surappa и Rohatgi [10] в
первые годы. Принципиальная схема установки литья, использованной в настоящем
исследовании, показана на фиг.1. Модификация представлена в виде стального колпака,
который используется в качестве газового покрытия для создания инертной атмосферы,
чтобы предотвратить потерю лития. В предыдущих исследованиях перемешивание
расплава проводилось либо на открытом воздухе [10,11], либо с использованием печи с
приспособлением для создания неинертной среды [12]. Этот тип печи ограничивает
прямой обзор расплава во время плавления и перемешивания. Простая импровизация,
используемая в этом исследовании, исключает необходимость использования таких
печей и предотвращает потерю Li в то же время. Стальной колпак (газовая крышка) может
быть поднят или наклонен, чтобы видеть расплав. Это также позволяет удобно измерять
температуру расплава, погружая термопару по мере необходимости. Стальной колпак
также можно наклонять и удерживать на одной стороне (на другой стороне трубу,
несущую анаргон, держат, как описано ниже), чтобы обеспечить дополнительное
покрытие инертным газом во время перемешивания. Сплав матрицы был расплавлен в
тигле из нержавеющей стали в печи с нагревом. Печь была покрыта стальной арматурой
(газовое покрытие), и через нее пропускался газ аргон, чтобы предотвратить потерю Li и
любую опасность возгорания (рис. 1 (а)). Газовую крышку удаляли непосредственно перед
добавлением частиц SiC. Предварительно нагретые частицы SiC добавляли через
периферию вихря, который создавался путем перемешивания расплава с помощью
механического рабочего колеса. Как показано на фиг. 1 (b), защитную атмосферу
поддерживали во время перемешивания, удерживая трубку, несущую анаргон, над
расплавом. После добавления и тщательного перемешивания расплав выливают в
цилиндрическую отливку железной формы. Композиты, содержащие 8, 12 и 18 об.% SiCчастиц, были успешно изготовлены. Отлитые слитки подвергали экструдированию при
5401 ° C в прессе для прессования CBJ 250 тонн с соотношением экструзии 30: 1. Al-Li-8%
SiC, Al-Li-12% -SiC и Al-Li-18% SiC композиты, изготовленные и использованные в этом
исследовании, обозначены как MMC 8, MMC 12 и MMC18, соответственно, и это будет
описано далее. Образцы для микроструктурной характеристики и механических
испытаний (твердость, растяжение и сжатие) были изготовлены из экструдированного
стержня.2.2. Характеристика микроструктуры. Морфологию частиц SiC исследовали на
сканирующем электронном микроскопе (SEM). Нарезанные образцы из неармированного
сплава и композитов сначала шлифовали с помощью бумаги размером до 1200, затем
шлифовали
Рис. 1. Принципиальная схема установки литья с
перемешиванием, используемой для изготовления
композитов (а) перед добавками SiC и (б) при
добавлении частиц.Р. Баури, М.К. Сураппа / Наука и
техника современных материалов 8 (2007) 494–
502495
Подвес SiC на бархатной ткани. Наконец образцы
были отполированы алмазной пастой 0,5 мм.
Микроструктурная характеристика полированных
образцов была выполнена с помощью СЭМ и
оптической микроскопии. Морфологию зерен
неармированного
сплава,
распределение
и
объемную долю SiC-частиц в композитах определяли
стандартным металлографическим методом. Размер
зерна определяли с помощью анализатора
изображения Sigma scanpro. Объемную долю SiC
также
определяли
методом
химического
растворения.
Образцы
из
разных
частей
экструдированного стержня разрезали и взвешивали
в электронных весах с точностью до 0,1 мг. Затем
образцы растворяли в разбавленной HCl и раствор
фильтровали для отделения частиц SiC. Остаток (SiC) затем сушили нагреванием до
температуры 701 ° С в течение 45 мин и определяли массу высушенного остатка.
Объемная доля рассчитывается из соотношения где V - объемная доля частиц,
соответственно, масса и масса арматуры и матрицы соответственно, и плотность сплава и
матрицы - соответственно. Плотность определялась по стандартному принципу Архимеда.
Процент пористости рассчитывали из разницы между теоретической и измеренной
плотностями.
2,3. Механические свойства
2.3.1. Измерения микро- и макротвердости
Микротвердость по Виккерсу неармированного сплава и композитов измеряли с
использованием тестера Dynamic Ultra MicroHardness (DUH-202) при нагрузке 25 г в литом,
экструдированном и пиковом возрасте. Были проведены измерения микротвердости на
матрице вдали от частиц SiC. Макротвердость по Бринеллю измеряли с помощью
твердомера Indentec. Нагрузка 62,5 кг была использована для измерения твердости по
Бринеллю.
2.3.2. Испытания на растяжение и сжатие
Свойства при комнатной температуре при растяжении измеряли с использованием
стандартных образцов для испытания на растяжение ASTM. Испытания проводились с
использованием сервогидравлической машины Instron 8501 при скорости деформации 10
3 с 1. Поверхность разрушения наблюдалась в СЭМ. Для испытаний на сжатие
использовались цилиндрические образцы диаметром 8 мм и высотой 12 мм. Некоторые
концентрические канавки были сделаны на обеих сторонах образца, чтобы сохранить
смазку. Геометрия часто сжимающихся и сжимающих образцов показана на фиг. 2 (а) и (б)
соответственно. Испытания на сжатие проводились с использованием машины Dartec при
комнатной температуре с постоянной скоростью деформации 10 3 с 1. Модуль упругости
сплава и его композитов определяли ультразвуковым методом с использованием
инструмента Elastosonic. Испытания на растяжение и сжатие также проводились в
пиковом состоянии для оценки влияния термической обработки на механические
свойства.
2.4. Возрастное отверждение.
Образцы нагревали до 5301 ° С в вертикальной трубчатой печи в течение 1 часа, а затем
гасили в воде, поддерживаемой при комнатной температуре. Охлажденные образцы
немедленно переносили в масляную баню и нагревали до температуры 1651 ° С для
старения. Измерения микротвердости проводились с интервалом в 1 час, чтобы
определить пиковую твердость и время до пика старения. Измеритель микротвердости
DUH-202 использовался для измерения микротвердости. Минимум пяти измерений
твердости были сделаны на каждом образце.
Результаты и обсуждение
3.1. микроструктура
СЭМ-микрофотография на фиг. 3 показывает, что частицы SiC имеют неправильную
форму. Оптические микрофотографии на рис. 4 и 5 показывают морфологию зерна
неармированного сплава и ММС 8 соответственно в отлитых условиях. Композиты
показывают более мелкий размер зерна по сравнению с неармированным сплавом. В
MMC, усиленных частицами, частицы уточняют размер зерна матрицы, поскольку
дисперсные частицы действуют как места нуклеации. Средний размер зерна композитов
MMC 8, MMC12 и MMC 18 составляет 36, 27 и 25 мм соответственно, а у неармированного
сплава - 48 мм. Можно также отметить, что с увеличением содержания SiC размер зерна
уменьшается. На фиг.6 (a) - (c) показано распределение частиц SiC в композитах в
экструдированных условиях. Распределение частиц SiC довольно равномерно в MMC 8;
однако другие два композита, имеющие более высокие количества SiCp, то есть MMC 12 и
MMC 18, показывают некоторую кластеризацию частиц. Степень кластеризации выше в
MMC 18. На рис. 7 показано скопление частиц, лежащих в направлении экструзии в
удлиненном виде в этом композите. Межфазная связь между частицами SiC и матрицей
также наблюдалась при