第40卷第6期2020年12月
西 安 工 业 大 学 学 报
JournalofXi 'anTechnologicalUniversity
Vol40 No6
Dec2020
DOI : 10. 16185/j. jxatu. edu. cn. 2020. 06. 008 http ://xb . xatu. edu. cn
不同VN 含量对7075铝合金显微组织与
*
*收稿日期：2020-09-07
基金资助：国家自然科学基金资助项目(1705391)装备预研领域基金重点项目(6140922010301)；陕西省人才推进计划-科技创新
团队(2017KCT-05)陕西省教育厅服务地方专项计划项目(0JC018)
第一作者简介：田可可(1997-)，男，西安工业大学硕士研究生。
通信作者简介：白亚平(1985-)女，西安工业大学副教授，主要研究方向为高性能铝基复合材料,E-mail :jingpingxue2004@ 163. com 。引文格式：田可可，白亚平，赵玉厚，等.不同VN 含量对7075铝合金显微组织与力学性能的影响:J ]西安工业大学学报,2020,40 (6):647-653
TIAN Keke,BAI Yaping,ZHAO Yuhou,et al. Effect of VN Contents on Microstructure and Mechanical Properties of 7075
Aluminum Alloy]J ] Journal of Xi'an Technological University ,2020,40(6) : 647-653.
田可可，白亚平，赵玉厚，刘萌萌，李建平
(西安工业大学材料与化工学院，西安710021)
摘要：为了提高7075铝合金综合力学性能，采用高能球磨与热压烧结相结合的方法制备
数据监测
了 VN 质量分数分别为5%，10%，15%和20%的VN/7075复合材料，并对其物相组成、微观
超薄继电器
组织、密度、硬度和室温拉伸性能进行了相关测试分析。微观组织测试结果表明：该复合材料 的物相主要为Al(Zn,Mg,Cu)固溶体和VN 相；w (VN ) = 15%的VN/7075复合材料组织较 为均匀，而当VN 质量分数增加至20%时，VN 在基体中产生团聚。力学性能测试结果表明： 随着VN 的增多，复合材料的硬度和抗拉强度均呈现先增大后减小的趋势，VN 质量分数为15%时，材料力学性能较为优异，较狑(VN ) = 5% VN/7075复合材料的硬度和抗拉强度分别
提高了 29.2% 和 13%。
关键词：VN/7075复合材料；VN 含量；热压烧结；微观组织；力学性能
中图号：TB33 文献标志码：A 文章编号：1673-9965(2020)06-0647-07
Effect of VN Contents on Microstructure and Mechanical
Properties of 7075 Aluminum Alloy
TIAN Keke , BAI Yaping , ZHAO Yuhou ^LIUMengmeng , LI Jianping
(School of Materials Science and Chemical Engineering,Xi'an Technological University ,Xi'an 710021,China)
Abstract : Thestudyisintendedtoimprovethemechanicalpropertiesofaluminuma l oy7075 TheVN /7075
composites with different VN contents (mass fraction 5 % ,10% ,15% and 20 %) were prepared by the
method of combining high —energy ba ll milling and hot pressing sintering. Their phase composition , microstructure ,density ,hardnessandroomtemperaturetensilepropertiesweretestedandanalyzed The
resultsofthe microstructuretestshowthatthephasesofthecomposite materialsare mainly Al (Zn ,
Mg,Cu ) solid solution and VN phase . The structure of w (VN ) = 15% VN/7075 composite material is
648西安工业大学学报第40卷
relatively uniform,and when the content of VN increases to20%,VN agglomerates in the matrix.The r
esults of the mechanical performance test show that with increasing VN content,the hardness and tensile strength of the composite material increase first and then decrease.When iv=15%,the mechanical properties of the material are excellent,and its hardness and tensile strength,compared with the VN/7075composite material when狑（VN）=5%,are increased by29.2%and13%respectively. Key words：VN/7075composite material；VN content；hot-pressing sintering；microstructure；
mechanical properties
7075铝合金是以Al-Zn-Mg-Cu为主要元素，具有优异的加工性能以及良好的韧性和耐腐蚀性，在汽车、航空航天用传动零部件等领域具有较大的应用潜力，但因其磨损性能较差，而制约了其广泛应用［13］。通过向铝合金基体中添加硬质合金颗粒或者纳米陶瓷颗粒可改善其力学性能、耐磨性能等的方法备受关注［7］。常用的纳米颗粒有TiC、ZTA（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）、AI2O3、SiC、SO、SfN4、VN等时0］。其中，VN具有六方晶体结构，硬度大，能够与铝基体具有较好的润湿性，常作为一种润滑相兼增强相来添加，以提高基体耐磨性［11］。文献［12］利用脉冲激光沉积技术制备了不同VN含量的VN/Ag复合薄膜，并在室温至900 C下对其磨损性能进行了研究，结果表明，当VN 含量为84%（原子分数）时，其材料的磨损性能最佳；文献［13］研究了VN/Ag基复合材料机械性能和摩擦磨损性能，得出VN相与VN/Ag固溶体所形成的多层结构具有更大粘附力和硬度，大幅度提高了材
料的耐磨损性能；文献［14］研究了外延调制对VN/TiB2超高硬度的影响，得出当VN与TiB2的比例为1:7时，复合材料层的硬度和弹性模量能够达到41.8GPa和492.4GPa，其耐磨性能大幅度提高。
众所周知，对于耐磨材料而言，韧性和耐磨性作为其最重要的两大指标，前者是耐磨损部件保证服役安全的基本，后者则决定了部件可服役时间的周期，且材料的硬度对其耐磨性有至关重要的作用［15］。因此，对于耐磨材料的应用研究中，材料力学性能的研究必不可少。本课题组前期研究了关于VN/7075复合材料在含S气氛中的耐磨性能，发现在磨损过程中，VN可与S气氛反应，生成一种自润滑膜，包裹在材料表面，大幅度改善材料的耐磨损性能。为了完善该理论，扩大其具体应用范围，本研究采用高能球磨与热压烧结相结合的方法制备的VN质量分数分别为5%,10%,15%和20%的VN/7075复合材料，对其微观组织、硬度和室温拉伸性能进行了测试分析，并总结出VN含量对7075铝合金组织和力学性能的影响规律，以望该材料在传动零部件的应用奠定理论基础。
乙酸乙酯实验装置1实验材料及制备方法
1.1实验材料
本文实验所使用的材料含量（质量分数）及粉体尺寸见表1o
表1实验原材料
Tab1Raw materialsintheexperiment 材料名称粉体尺寸/目纯度/%
7075粉+325^99.5
VN粉+200^99.9
1.2VN/7075复合材料的制备方法
本文采用YXQM-4L行星式球磨机与ZT-40-20Y真空热压炉制备了VN/7075复合材料，具体工艺为：称取40g VN粉和7075粉，加入5%的硬脂酸，在球料比为3:1，转速为100r-min-1的球磨条件下，在YXQM-4L行星式球磨机下球磨5h；在总质量为40g的情况下，分别研究质量分数5%,10%,15%和20%的VN对7075性能的影响，探索VN/7075复合材料的最优配比。将上述所制得的VN/7075粉体在ZT-40-20Y真空热压炉中进行热压烧结，具体的烧结工艺为：将混合均匀的粉体送入直径为050mm石墨模具，在真空度为10-1〜10-3Pa、烧结温度为520C、烧结压力为20MPa的情形下进行烧结，最终烧结所得的尺寸约为050mmX10mm。
将不同VN含量的VN/7075复合材料块体通过X射线衍射分析仪（型号:XRD6000）以及能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer,EDS）分析其物相成分；采用VEGA H XMU型扫描电子显微镜观察其显微组织；利用402MVD 自动转塔数显微
第6期田可可，等：不同VN含量对7075铝合金显微组织与力学性能的影响649
维氏硬度计测量其硬度；采用D2-0200-1型电子万
能拉伸试验机对其抗拉与抗压强度能进行测试。
2实验结果与分析
2.1VN/7075复合材料的微观组织分析
将不同含量的VN/7075复合材料在粗细不同
的砂纸上进行打磨抛光，后使用X射线衍射仪在
20°〜90°范围内对其物相组成进行分析，得到为不
割
同含量VN/7075复合材料的XRD物相图谱如图
1所示。由图1可知，A17075材料的物相以A1
(Zn,Mg,Cu)固溶体为主，增加VN相后，复合材料的物相以Al(Zn,Mg,Cu)和VN相为主，并且随着VN含
量的增多，VN/7075复合材料中VN的衍射峰强度不断增强，而固溶体所对应的衍射峰强度不断减弱；此外,VN/7075复合材料XRD图谱中并未出现A1,N,V元素所形成的新相，由此可以推算，在球磨与热压烧结过程中，两种粉体并未发生反应，而只是简单的物相混合。
图2为不同含量VN/7075复合材料微观组织，表2为图2中不同位置的EDS分析结果(结果显示为质量分数)
图1不同含量VN/7075复合材料XRD物相图谱
Fig.1XRD phase diagram of VN/7075composites
with different contents
根据图2可知，图2(a)中所存在的灰物相为Al(Zn,Mg,Cu)固溶体，利用EDS分析可知，亮白点状物为富铜相。图2(b)〜2(e)相区中，VN 以白颗粒状存在，并且随着VN含量的增多，基体中VN相逐渐增多，从图2(d)中可以看出，当VN含量为®(VN)=15%时，VN在基体中分布最均匀；而当VN含量增多至w(VN)=20%时, VN会在基体中产生团聚现象。
SEM MAG:5.00kx SEM HV:20.00kV Vac:HiVac
SEM MAG5.00kx
SEM HV20.00kV
Det:BSE Detector
Date(m/d^)03/28/1810pm
Device:VEGA II XMU
SEM MAG:5.00kx Det:BSE Detector
SEM HV:20.00kV Date(m/cVy)10/11/1810pm
Device:VEGA II XMU
SEM MAG:5.00kx Det:SE Detector VEGAW TESCAN SEM MAG:5.00kx Det:BSE Detector VEGAWTESCAN
(d)w(VN)=l5%VN/7075(e)w(VN)=20%VN/7075
图2不同含量VN/7075复合材料微观组织
Fig.2Microstructures of VN/7075composite material with different
contents
650西安工业大学学报第40卷
表2图2(a)和图2(c)中EDS分析结果
Tab.2EDS analysis results in Figure2(a)and Figure2(c)
区域
0Mg
疋(VN)/%
N Cu Al V Zn
117.94 1.2769.98 1.419.43
28.321948564 1.36 1.35 1.39
3 2.0165.1232.87
2.2VN/7075复合材料的密度分析
采用阿基米德排水法测试了不同含量VN/
7075复合材料的密度q，将复合材料试样放在称量
纸上记重量为犕空，将试样表面均匀涂覆凡士林,
称其质量为犕凡空，将涂覆凡士林的试样放入水中
称其质量为犕凡水，密度计算表达式为
M空()
Q—犕凡空—犕凡水勺水⑴
其中q水为0.998g•cm-3。
不同含量VN/7075复合材料的密度测试结果如图3所示。由图3可知，不同含量VN/7075铝基复合材料的密度会随着VN含量的增多不断增大, 7075铝合金的密度为2.81g・cm-3，而每添加质量分数为5%的VN，复合材料的密度大约提高2.5%。
Fig.3Density of VN/7075composite material
with different contents
2.3VN/7075复合材料的维氏硬度分析
图4为VN/7075复合材料的硬度柱状图，由图 4可知，随着VN含量的不断增加，复合材料的硬度出现先增大后减小的趋势，当VN的含量为w(VN) =15%，复合材料的硬度到达最大值为119.5HV，相较于基体材料7075铝合金(81.8HV)，其硬度提高了46.1%。这是由于w(VN)=15%的VN/ 7075基体中VN分布均匀，引起弥散强化，导致硬度增大；而当VN含量为w(VN)=20%,VN在基体中出现了团聚现象，导致硬度有所下降。
图4VN/7075复合材料硬度柱状图
Fig.4Hardness of VN/7075composite material
2.4VN/7075复合材料的拉伸性能分析
图5为VN/7075复合材料的应力-应变(「小与抗拉强度，由图5可知，在加入VN后，复合材料的抗拉强度有所降低，但随着VN含量的不断增多, VN/7075复合材料的抗拉强度表现出先增大后减小的趋势；当VN的含量为w(VN) =15%时，该复合材料的抗拉强度出现最大值，通过图2(d)分析可知,VN在基体中分布均匀，不易引发裂纹，导致抗拉强度相较于其他含量的材料较高。VN加入Al 7075基体后，复合
材料的抗拉强度下降，主要是由于材料的界面增多，且基体与VN增强相之间的结合力低于基体相，容易产生微裂纹，如图2(e)所示，在受到外力的作用时，界面处容易发生脱结合，导致失稳扩散，使材料的抗拉强度降低。通过计算可知，质量分数为5%,10%,15%,20%的VN/7075复合材料的致密度分别为97%,94.2%,91.8%,90.2%，随着VN含量的增加，复合材料的致密度逐渐降低，空隙增加，裂纹易于萌生，影响了复合材料的性能。
2.5VN/7075复合材料的断裂机理分析
图6为VN/7075复合材料拉伸断口微观形貌，根据图6(a)和图6(b)可知，在拉伸过程中Al 7075和w(VN)=5%VN/7075复合材料均出现了韧窝，根据此判断断裂机理为微孔聚集型断裂，断裂类型为韧性断裂；由图6(c)〜6(e)可知，随着
第6期田可可，等：不同VN 含量对7075铝合金显微组织与力学性能的影响
651
VN 量的增多，复合材料的断口处韧窝的数量不断 减少，并且韧窝周围出现塑性变形程度较大的凸起
撕裂棱，撕裂棱也随着VN 含量增多而增多；此外,
h
(VN ) = 20% VN/7075复合材料断口中又出现
了“类解理”小平面。由此可以判断^(VN ) = 10%，比(VN ) = 15%，比(VN ) =20%复合材料的
断裂类型是由韧性断裂向准解理断裂过渡。这是 由于材料在受到拉应力时，应力通过基体传递给
VN 增强相，但由于VN 尺寸较大，很难与基体发 生协调作用，导致准解理断裂的发生；而在VN 含
量较少时，拉应力所产生的裂纹会通过基体进行扩 展，使基体发生塑性变形而产生韧窝。
350300
—7075
-
—w(VN)=5% VN/7075—w(VN)= 10% VN/7075 -—w(VN)=l 5% VN/7075—w(VN)=20% VN/70752520
远程遥控
O
5VN/7075
0.180.159VN/7075
273289.7I-S-I
308.5I-E-I 220-X-
0.160.140.120.10
图像拼接器0.080.06
0.040.02
爸。.1。育
0.061
01------------1------------1------------1------------0 0.04 0.08 0.12 0.16
o7%
(a)应力-应变曲线图O il hl hl hl h ___
0 5 10 15 20
w(VN)/%
(b)抗拉强度
___il I il hl hl _____
0 5
10 15 20
w(VN)/%(c)应变
Fig. 5 Stress strain and tensile strength of VN /7075 composite material
图5 VN /7075复合材料的应力-应变与抗拉强度
VEGAWTESCAN SEM MAG: 500 x Det: SE Detector ；
.I SEM HV: 20.00 kV Date(m/d/y ) 09/08/19 100 pm U View field: 600.0 pm Device: VEGA IIXMU
VESA%TESCAN SEM MAG: 500 x " Det: SE Detector ^*^7；二
gj SEM HV: 20.00 kV Date(m/d>y ) 09/08/19 100 pm ■ View field: 600.0 pm Device: VEGA II XMU
SEM MAG: 500 x Det: SE Detector TZ L J SEM HV: 20.00 kV Date(m/cVy ): 06/04/19 100 pm View field: 600.0 pm Device: VEGA II XMU (a) w(VN)=0A17075(b) w(VN)=5% VN/7075(c) w(VN)=10%VN/7075
(d) w(VN)=l 5% VN/7075(e) w(VN)=20% VN/7075
图6 VN/7075复合材料拉伸断口微观形貌
Fig. 6 Tensile fracture micro morphology of VN /7075 composite material
3结论
通过使用高能球磨与热压烧结相结合的方法 制备了 VN/7075复合材料，并对不同含量的VN/
7075复合材料的微观组织、硬度以及抗拉强度进 行了分析，得出以下的结论：
1) VN/7075复合材料的硬度会随着VN 含量 的增加呈现先增大后减小的趋势，未添加VN 的Al
