（材料学专业论文）电冶熔铸wc钢基复合材料的组织及断裂韧性研究.pdf

电冶熔铸w c 钢基复合材料的组织及断裂韧性研究 摘要 采用电冶熔铸工艺制备了以g c r l5 轴承钢为基体，含量分别为2 0 、3 0 、4 0 和5 0 叭的w c 颗粒作为硬质相的电冶w c 钢基复合材料。借助金相分析、 扫描电镜、x 射线衍射及能谱分析等方法研究了材料熔铸态的微观组织及碳化 物的演变过程，不同热处理状态下的组织结构。重点研究了其断裂韧性性能， 系统分析了热处理工艺、w c 颗粒大小、含量对该材料的断裂韧性的影晌，提 出了其断裂模式。 电冶w c 钢基复合材料中，较低含量w c ( 2 0w t ) 时，多数w c 颗粒溶 入高温钢液中，冷却时形成不连续网状复式碳化物且沿晶界分布，基体中由于快 速冷却析出了许多细小的原位碳化物颗粒：当w c ( 4 0v e t ) 含量较高时，显 微组织主要是以y - f e + w c 、3 - f e + f e 3 w 3 c 共晶组织为主，它们呈现树枝状和 锚状，另外，还有一些不规则的块状组织；大颗粒w c 周围形成了厚达数微米 的反应层，界面结合强度大为提高。 对于w c 含量为5 0 的复合材料，由于电冶熔铸及后续热处理加热温度很 高，使碳化物相溶解并析出，从而使不同热处理的组织具有各自的特点。此材 料具有三种类型的碳化物，一类碳化物与二类碳化物的性质与物理状态均不相 同。 断裂韧性试验中发现，s e n b 法对于电冶熔铸w c 钢基复合材料的断裂韧 性测试适用可行，数据稳定。该种材料具有较高的断裂韧性，断口形貌主要特 征为w c 解理、基体准解理及分散韧窝和韧窝带。经热处理后，材料的断裂韧 性有较大提高，退火态达2 3m p a m 1 1 2 。随着w c 颗粒的含量、粒度的增加，复 合材料的断裂韧度降低。硬质相对材料的断裂韧性和断裂行为起决定性作用， 该种复合材料具有复合断裂机制，断口分析证实此类断口为韧脆复合断口。 关键词：电冶熔铸，显微组织，钢基体，w c 溶解，断裂韧性 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r ea n df r a c t u r e t o u g h n e s so f w c r e i n f o r c e ds t e e lm a t r i x c o m p o s i t eb ye l e c t r o s l a gm e l t i n ga n dc a s t i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t s t e e lm a t r i xc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tw cc o n t e n t sa n ds i z e i ng c r l5m a t r i xh a v e b e e np r o d u c e db ye l e c t r o s l a gm e l t i n ga n dc a s t i n gt e c h n i q u e ，w h e r et h ec o n t e n t so fw cw a s r e s p e c t i v e l y2 0 ，3 0 ，4 0 a n d 5 0w t e v o l u t i o no ft h em i c r o s t m c t u r ea n dv a r i o u sc a r b i d e si nt h ew c s t e e lm a t r i x c o m p o s i t e sw a si n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a lw a sc h a r a c t e r i z e du s i n g o p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ， e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y w e r e p e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h ei n t e r f a c i a lc o m p o s i t i o nb e t w e e nw cp a r t i c l ea n ds t e e lm a t r i x a n dp h a s ea n a l y s i s t h ef r a c t u r et o u g h n e s sa n df r a c t u r a lm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d e m p h a t i c a l l y t h ee f f e c t so ft h ec o n t e n ta n ds i z eo fw cp a r t i c l e sa sw e l la sh e a tt r e a t m e n t s p r o c e s s i n go nt h ef r a c t u r et o u g h n e s sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h ec o m p o s i t e sw i t hl o w e rc o n t e n tw c p a r t i c l e s ，t h eh i g h e rs o l u t i o no fm o s tw c p a r t i c l e sm a k e sc e m e n t e dc a r b i d ec o m p o u n di nn e ta l o n gt h eg r a i nb o u n d a r ya n ds m a l l i n - s i t uc a r b i d ep a r t i c l e sa r ef o u n di nt h em a t r i xd u et of a s tc o o l i n g t h em i c r o s t r u c t u r ei n t h ec o m p o s i t e sw i t l lc o n t e n t so f4 0 w cp a r t i c l e sa r ec h a r a c t e r i z e db yt w ok i n d so f e u t e c t i c sw i t hd i f f e r e n ts h a p ei e 7 - f e + f e 3 w 3 c ( i na n c h o r ) a n d 丫+ w c ( i nb r a n c h ) ， a d d i t i o n a l l y , af e wi r r e g u l a rb l o c ks t r u c t u r ea r ef o u n d n l ei n t e r f a c eb e t w e e nt h el a r g ew c p a r t i c l e sa n ds t e e lm a t r i xf o r m st h er e a c t i o nl a y e rw i t hs e v e r a lm m sw h i c he n h a n c e st h e t o u g h n e s so fi n t e r f a c eh i g h l y a sf o rt h ec o m p o s i t e sw i t h5 0 w cp a r t i c l e s t h em i c r o s t r u c t u r eo fd i f f e r e n th e a t t r e a t m e n t sh a v er e s p e c t i v e p r o p e r t i e sb yv i r t u eo ft h ed i s s o l u t i o na n dp r e c i p i t a t i o no f c a r b i d e sc a u s e db yh i g ht e m p e r a t u r eo fe l e c t r o s l a gm e l t i n ga n dc a s t i n gt e c h n i q u ea n d f o l l o w i n gh e a tt r e a t m e n t s n l i sa l l o yh a st h r e et y p e so fc a r b i d e s t h ep r o p e r t i e sa n dp h y s i c a l c o n d i t i o n sd i f f e rd i s t i n c t l yf r o mt h ef i r s tc l a s sc a r b i d et ot h es e c o n dc l a s s t h es i n g l ee d g en o t c hb e a mm e t h o di ss u i t a b l ef o rt h em e a s u r e m e n to ff r a c t u r e t o u g h n e s so ft h ec o m p o s i t e si nt h ef r a c t u r ee x p e r i m e n t ，w i t hs t a b l ee x p e r i m e n t a ld a t a t h em a t e r i a l sh a v eh i g h e rf r a c t u r et o u g h n e s sa n dt h em a i nf r a c t o g r a p h i cf e a t u r e sa r ew c c l e a v a g e ，q u a s i - c l e a v a g eo fm a t r i x ，d i s p e r s e dd i m p l e sa n dd i m p l e db a n d s ，t h ef r a c t u r e t o u g h n e s so fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db yv a r i o u sh e a t i n g t r e a t m e n t s ，r e a c h i n gap e a kv a l u eo f2 3m p a m 1 “a s a n n e a l e d t h eh i g h e rt h ew e i g h t f r a c t i o no fw c p a r t i c l e s ，t h el o w e rt h ef r a c t u r et o u g h n e s so f t h ec o m p o s i t e sw h i l et h el a r g e r t h es i z eo f w c p a r t i c l e s ，t h el o w e rt h ef r a c t u r eo f t h ec o m p o s i t e s t h eh a r d n e s sp h a s e sp l a y ad o m i n a n tr o l ei nf r a c t u r et o u g h n e s sa n df r a c t u r eb e h a v i o ra n dt h e c o m p o s i t e sh a v ea c o m p o u n dm i c r o - f r a c t u r em e c h a n i s m f r a c t u r es u r f a c ea n a l y s i sc o n f i r m st h a tt h ef r a c t u r e b e l o n g st od u c t i l ea n db r i t t l ec o m p l e xf r a c t u r e ，f o rw h i c hs o m eh a r dp h a s ed i s p l a y p a r t i a l l y c l e a v a g ef r a c t u r e k e y w o r d s ：e l e c t r o s l a gm e l t i n ga n dc a s t i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，s t e e lm a t r i x ，w cd i s s 0 1 u t i o n ， f r a c t u r et o u g h n e s s 插图清单 图1 1 ：三种裂纹模式 图1 2 ：山形切口断面图 图2 一l ：实验用原始w c 颗粒形貌图， 图2 2 ：电冶熔铸工艺原理图 图2 3 ：技术路线示意图 图2 - 4 ：淬火与回火工艺规范曲线 图2 5 ：三点弯曲试样 图2 - 6 ：裂纹示意图 图3 1 ：w c 为2 0 州的微观形貌t 图3 2 ：试验材料界面处合金元素浓度梯度变化 图3 3 ：w c 为3 0w t 的微观形貌t 图3 - 4 ：w c 3 0 的x 衍射分析图 图3 5 ：树枝晶的微观组织形貌 图3 - 6 ：w c 4 0 的x 衍射分析图 图3 7 ：w c 为4 0w t o o 的显微形貌图 图3 ，8 ：5 0w t w c 钢复合材料的整体形貌 图3 - 9 ：5 0w t w c 钢复合材料中不同碳化物的形貌图 图3 1 0 ：w c 5 0 的x r a y 衍射图谱 图4 一l ：d g j w 5 0 合金的淬火组织 图4 2 ：枝状共晶组织 图4 3 - 残余奥氏体组织 图4 - 4 ：不同回火温度的显微组织照片 图4 5 ：3 5 0 回火出现回火脆性t 图4 - 6 ：尖棱角处的优先溶解 图4 7 ：桥接的复式碳化物 图4 8 ：1 0 6 0 + 2 5 0 等温淬火组织 图4 - 9 ：1 1 0 0 + 2 5 0 等温淬火组织 图4 1 0 ：枝晶破碎熔化组织t 图5 1 ：电冶熔铸w c ，钢复合材料的显微组织 图5 2 ：反应产物透射电镜衍射花样及 0 0 1 j 晶带轴标定 图5 3 ：钢基体中析出的碳化物晶粒 图5 - 4 ：w c 颗粒的边缘溶解 图5 - 5 ：w c 颗粒附近f e ，w 等元素含量线扫描 图5 - 6 ：心部溶解的w c 颗粒 9 1 2 1 6 1 7 2 0 2 1 2 2 2 3 2 5 2 5 2 6 2 7 2 8 2 8 2 9 3 0 3 l 3 2 3 5 3 5 3 5 3 6 3 7 3 7 3 7 3 9 3 9 3 9 4 2 4 2 4 2 4 3 4 4 4 5 图5 7 ：单个w c 颗粒边缘界面反应产物 图6 1 ：淬火处理的断口形貌t 图6 2 ：低温回火处理的断口形貌t 图6 3 ：等温退火的断口形貌 图6 - 4 ：回火温度与断裂韧性的关系 图6 5 ：合金的回火组织 图6 - 6 ：硬度随回火温度变化曲线- 图6 7 ：不同回火态的断口s e m 照片 图6 8 ：2 0 0 回火时放大的断口形貌 图6 - 9 ：d g j w 2 0 熔铸态断口形貌 图6 一j 0 ：d g j w 4 0 熔铸态断口形貌 图6 一1 1 ：退火态断口形貌比较 图6 1 2 ：裂纹扩展模式 图6 1 3 ：不同颗粒尺寸的电冶w c 钢基复合材料的断口图片 图6 1 4 ：烧结w c 硬质合金颗粒的断口形貌 图6 15 ：粗大w c 相粒子优先解理断裂机制 图6 1 6 ：微孔形核及长大的位错模型示意图 4 5 5 0 5 1 5 l 5 2 5 3 5 3 5 4 5 5 5 7 5 8 5 9 6 l 6 l 6 3 6 4 6 5 表1 1 ： 表2 1 ： 表2 2 ： 表2 3 ： 表2 4 ： 表2 5 ： 表3 1 ： 表4 。1 ： 表6 1 ： 表6 2 ： 表6 3 ： 表6 4 ： 表格清单 复合材料的制取工艺7 轴承钢g c r l5 的力学性能r15 轴承钢g c r l5 的化学成分15 工业碳化钨的化学含量l5 铁、碳化钨主要性能参数的比较，1 6 试验材料的化学成分组成1 7 两种不同组织状态的复合材料硬度比较3 0 不同热处理状态冲击韧性及硬度值3 8 2 0 w c 的电冶w c 钢基复合材料不同热处理状态下的断裂韧性值4 8 含不同重量百分数w c 时钢基复合材料的断裂韧度- 5 6 不同w c 颗粒尺寸时电冶熔铸钢基复合材料的断裂韧度6 0 典型工程材料的断裂韧度k i c 6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目曼王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 屎雩峰 签字日期：j 。5 年；月柙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒厘王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒艘王些盍堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：霹瞎锋 签字目期：j 。6 年 月；，日 导师签名： 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： l 中国科薛降上海硅西鼠i 哪究矸 工作单位：电话：5 坤f 2 卵。 通讯地址： 上墙希费固隆1 3 7 s 号 邮编： o 0 0 5 0 致谢 回首往事，思绪万千，值此论文付稿之即，向所有为本实验的完成作出贡 献的人致以我衷心的感谢l 首先感谢导师尤显卿教授给予作者的指导、启发和鼓舞。尤老师在学术上 孜孜追求，在学业上给予作者无私的教诲；在生活中平易近人，对待作者更有 长者的仁厚，让作者深受感动；导师忘我的工作精神、严谨的治学作风和科学 的思维方法使学生终生获益。值此论文完成之际，谨向恩师致以最崇高的敬意 和最衷心的感谢! 在实验进行过程中，材料学院实验中心的郑玉春、程娟文、王学伦、张明 秀老师给予了大力支持和细心指导：x 射线实验室的唐述培老师作了大量精心 细致的分析工作：中国科技大学结构中心的邢老师在试验过程中也给了极大的 帮助。在此也表示我最衷心的感谢! 其次感谢师兄任吴、师弟张成军及其他同窗好友，他们在课题研究中给予 了许多无私的帮助和热情的鼓励。 最后，感谢亲爱的家人对作者生活上无微不至的关心和学业上不遗余力的 支持。 作者：宋雪峰 2 0 0 6 3 合肥 第一章绪论 1 1 引言 由于高新技术的发展，对制作构件、设备的材料提出了更新和更苛刻的要 求。为了减轻设备和工程结构自身的重量，要求材料既具有高的比模量、比强 度、抗疲劳及耐高温，又同时具有良好耐磨性，以避免磨损失效。金属基复合 材料的研制成功为解决上述问题提供了新途径 1 。3 1 。它将增强相的高强度、高模 量、高熔点及钢基体较好的韧性、导热性结合起来，成为具有高比模量、低热 膨胀、耐热、耐磨及耐氧化等优异性能的材料【4 4 ，具有广阔的应用前景，是一 种正在发展的新材料。 金属基复合材料基本可分为连续纤维增强、非连续体增强( 包括颗粒、短 纤维和晶须) 和叠层复合三类。连续增强体主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、 硼纤维( 钨丝) 、氧化铝纤维等；非连续体增强体主要有氧化铝( 含莫来石和硅 酸铝) 纤维，颗粒则为碳化硅、碳化钨、碳化硼、硼化钛、碳化钛等【6 8 】。目前， 金属基复合材料的研究主要集中m g 、t i 、a 1 等轻金属及其合金上，而廉价的 钢铁材料由于熔点高、比重大、比强度小及常用的陶瓷颗粒易偏聚等原因，以 钢为基体的复合材料进展缓慢。但是现代工业的发展对具有高强度、高耐磨性 及较好韧性的零件材料有迫切的需求，同时尽量降低生产成本，所以对钢基复 合材料的研究已得到人们的广泛关注。 9 颗粒增强钢基复合材料( p r s m c ) 不仅具备了短纤维和晶须增强金属基复 合材料的些优良特性，而且兼有增强体价格便宜、制各工艺相对简单、易于 二次加工、各向同性和耐磨等优点，因此应用相当广泛，如汽车、摩托车零部 件、电子封装材料、纺织机械及航天等领域 1 “1 3 。但是，由于p r s m c 的塑性 和韧性较低，在比强度、比模量及韧性要求较高的环境中，它的应用受到很大 的限制。因而近年来改善p r s m c 的韧性，阻止其低应力脆断已成为研究的热 点之一。由于p r s m c 的发展时间还不长，目前对钢基复合材料的增韧、断裂 过程及断裂机理尚无系统和深入的研究，缺乏断裂试验、断裂机制、机理系统 资料。但是断裂韧性的测量、断裂机理的研究、增韧途径的拓展这些对颗粒增 强钢基复合材料的进一步发展具有重要意义。 1 2 金属基复合材料的发展状况 金属基复合材料是由高性能纤维、晶须、颗粒等增强体与金属基体通过一 定的方法复合而成，从而显示出不同于基体整体的物理性能和机械性能，如： 兼有金属的性能( 塑性和韧性) 和陶瓷的优点( 高强度和高刚度) ，具有高比强 度、低热膨胀率、耐热、耐磨、导电、导热等优异的综合性能，其应用前景十 分广泛。自从6 0 年代k e l l y ，l l o y d 等人首次总结出金属基复合材料的资料后， 立即引起了各国学者和科研人员的关注，成为复合材料一个十分重要的分支 1 4 。18 1 。 1 2 1 金属基复合材料的分类 金属基复合材料可以分为连续纤维增强、非连续体增强( 包括颗粒、短纤 维和晶须) 和叠层复合三类。所用的基体金属包括a 1 ，m g ，t i 等轻金属及其合 金、高温合金以及金属间化合物等，也有少量以钢、铜、锌、铝为基体。 ( 1 ) 连续增强体主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维( 包括钨芯及碳芯化学 气相沉积丝) 和先驱体热解纤维、硼纤维( 钨芯) 、氧化铝纤维、不锈钢丝和钨 丝等； ( 2 ) 非连续增强体中短纤维常用氧化铝( 含莫来石和硅酸铝) 纤维，颗粒 则有碳化硅、氧化铝、氧化锆、碳化钛和碳化硼等； ( 3 ) 而晶须类主要为碳化硅、氧化硅及最近开发的硼酸铝、镁酸钾等。 早期的研究工作主要集中在连续纤维增强物上( 在这个领域的工作现在仍 在进行) ，很快发现了由于连续纤维的高成本、复杂的制备过程、制造的局限性 使得它难以推广应用，这导致了非连续增强复合材料的迅速发展，特别是短纤 维和陶瓷颗粒复合材料，人们把注意力放在铝合金、钛合金、镁合金上，一方 面是由于它们自身的比强度、比刚度和延展性等综合性能好，另一方面是由于 它们已经具备了较成熟的加工工艺，在航天航空工业、汽车工业、电子仪表行 业中有着广泛的应用空间d 9 2 0 。随着研究的深入，人们不再把眼光局限于铝、 镁、钛等轻合金上，而是根据具体的设计和使用性能要求，相继开发出了铜基、 镍基、锡基、铅基、锌基、铁基和钢基的多种金属基复合材料。在实际应用中， 美国已经在航天航空领域、日本在汽车工业上已经成功应用了金属基复合材料， 西欧各国也在研究和应用上取得了巨大的进展，我国的研究工作也在进一步深 化【2 1 。2 扪。 1 2 2 金属基复合材料研究的热点 金属基复合材料的复合工艺比高聚物基复合材料相对复杂和困难，这是由 于金属熔点较高，需要在高温下操作，同时不少金属对增强体表面的润湿性很 差，甚至不润湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生反应，所以 工艺增加了复杂性，且不成熟，导致制造成本提高，但是由于它性能的优越性 和具有潜力，因此吸引了很多材料工作者致力于研究和开发，主要就当前己经 应用和比较有工业化发展前途的品种对其结构和性能方面进行了深入的研究， 同时也探索了新的复合工艺方法，目前金属基复合材料研究的热点主要集中在 以下几个方面“j ： ( 1 ) 金属基复合材料的界面 金属基复合材料的界面问题直是困扰本领域工作者的重大问题。因为金 属基复合材料的界面结构非常复杂，虽然多数金属基复合材料是以界面反应的 形式结合，但是反应的程度受工艺方法及温度参数的影响极大，同时因为界面 区尺寸仅为纳米级，从而使分析表征工作困难很大，因此目前的研究工作是致 力于用各种先进的分析手段如高分辨率透射电镜( h r e m ) 和带有能量色散x 射线谱( e d s ) 及带有电子探针或能谱的扫描电镜( s e m ) 等方法表征界面结 构，这些工作虽然已经取得了不少成果，但是迄今为止，还不能说上述方法能 强有力的表征界面结构，而经常需要用多种方法的测定结果加上科学推断才能 比较详细的了解界面。研究表明，界面结构对复合材料的性能影响极大，为了 防止由于界面反应生成的脆性陶瓷产物在受力时起到萌生裂纹源作用，不少研 究工作者提出了各种对增强体表面做涂层处理的方法，使涂层既改善了界面润 湿性又起到反应阻挡层的作用，取得了一定的效果，其中复合材料梯度涂层能 起到良好的综合作用，但是这种方法工艺复杂，难以大量应用，界面结合力的 大小也对复合材料产生很大的影响，因为界面有双重作用，一方面起到传递应 力的作用，使增强体承担主要载荷；另方面又以界面脱粘和增强体的拔出来 使裂纹偏移和吸收能量，因此实验证明确实存在最佳的界面结合状态，然而由 于界面的复杂性，一时难以从理论上取得界面优化的判据，即便界面结合力的 测定也没有满意的方法。 ( 2 ) 金属基复合材料的凝固过程 金属的凝固过程已经研究的比较成熟，但金属基复合材料的凝固过程由于 增强体的存在使基体金属的凝固过程变得复杂，难以套用现有的金属凝固理论， 实际上由于增强体的存在，其凝固过程的温度场和浓度场、晶体生长的热力学 和动力学过程都会发生变化，同时一般凝固过程均处于非平衡条件下，因此流 体的流动行为、溶质的再分配规律以及凝固体的组织形态也有相应的变化。由 于这些变化均将对金属基复合材料的性能产生明显的影响，所以越来越得到重 视，尽管目前的研究结果尚不多，但是已经发现了许多值得深入研究的问题， 而且正在不断地扩大与深化之中。对于颗粒增强金属基复合材料的研究发现， 在凝固过程中，由于颗粒与基体的液固界面的相互作用随着凝固速度的改变将 出现不同的行为，即凝固速度小时复合材料中颗粒会被液固界面推移，而凝固 速度大时颗粒则被液固界面吞没，使复合材料中颗粒均匀分布，其中存在一个 临界速度作为两种行为的分界线。同时金属基复合材料凝固速度变化对其力学 性能的影响因其所用的复合体系不同而异。 ( 3 ) 非连续增强金属基复合材料的制备科学 非连续增强体( 颗粒、短纤维、晶须) 增强的金属基复合材料，由于其制 造工艺较简单，价格相对比较便宜，所以在汽车、纺织等民用工业中初步获得 应用，特别是s i c 颗粒增强和硅酸铝短纤维增强的复合材料现在已经有一定的 生产规模。对这一类金属基复合材料在制备过程中出现的问题必然会引起广泛 的重视，目前已经有不少文献报道了这方面的研究工作。由于上述原因，颗粒 增强金属基复合材料吸引了不少研究工作者的注意，其中用搅拌工艺制备过程 的研究较多，研究结果表明，液态搅拌和半固态搅拌各有优缺点，前者粘度小， 流动性好，易于操作，但容易夹杂、发生界面反应和卷入气体；后者虽有工艺 上的困难，且容易造成合金元素偏析，但由于温度低而避免界面反应，同时也 有利于细小颗粒的加入和分散均匀，从而能明显提高复合材料的强度。为改善 颗粒和熔体之间的润湿性，提出了对颗粒进行表面处理和改变基体合金组成等 两种措施。另外也有不少研究致力于设计搅拌形式及桨叶设计。用挤压铸造法 制各复合材料也有很多研究，主要集中在不同温度和压力条件以及增强体百分 体积对颗粒性能的影响。值得注意的是，受环境保护和资源利用意识的影响， 金属基复合材料的回收再生问题也开始出现探索研究，并正在扩大和深入。 ( 4 ) 金属基复合材料的原位复合 金属基复合材料的原位复合技术基本上能够克服其他工艺中通常出现的一 系列问题，如基体和增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，增强体分布不均 匀，特别是对微小的( 亚微米和纳米级) 增强体极难进行复合等，作为一种具 有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，并广泛开展了研究工作。其中包括 直接氧化法、无压力浸润法、自蔓延法和在金属中已有研究基础的原位共晶生 长法等。这些方法虽各有特点，但具有共性即复合材料的强度、韧性以及其它 力学性能取决于原位生长的增强相本身的物理性质和几何尺寸以及显微组织形 态和基体相的含量。需要指出的是，原位复合是有发展前途的，但是，目前在 原位反应时，除了所预计生成的增强体外，仍不免有其他副反应物存在，同时 对增强体的体积分数也难以精确控制，因而影响材料质量稳定性，这些都是急 待解决的问题。 由此可见，金属基复合材料要在未来取得进一步的发展并列入规模生产品 种的行列，还有一段艰难的路程，但是由于它性能优势的存在，是有明确发展 前景的，这就需要广大材料研究工作者进行深入细致的基础研究，探索新的工 艺方法并开拓新的有针对性的应用范围。 1 3 颗粒增强钢铁基复合材料发展状况 金属基体是颗粒增强金属基复合材料的主要组成部分，起着固结增强颗粒、 传递和承受各种载荷( 力、热、电) 的作用。最初关于金属基复合材料的研究主 要集中在航空航天领域，因而人们的注意力一开始就放在铝合金、钛合金和镁合 金上，这些合金自身具有较好的综合力学性能如比强度、比刚度及延展性等， 加上它们已具备了较成熟的加工工艺，研究进展非常快，但由于这类合金自身 成本较高，经济效益不高，因而在民用领域的推广受到了限制，仅仅在军事领域 应用比较广泛。随着研究的深入，人们根据具体的设计和使用性能要求，在充分 考虑到经济效益的前提下，相继研究开发了铜基、镍基、铝基、银基、锡基、 4 铅基、锌基、铁基和钢基的多种金属基复合材料。 钢铁是机械等行业中应用最广泛的结构材料，在今后相当一段时间内，钢 铁在现代工业中仍将占有重要地位。但是，现代科学技术的发展对钢铁材料提 出了更高的要求，普通的单一钢铁材料越来越难以满足实际需要。目前人们对 钢铁基复合材料的研究方向比较多，但主要集中在颗粒增强的钢铁基复合材料， 颗粒增强复合材料的强度性能虽然比纤维增强复合材料的强度低，但是钢铁与 纤维的润湿性很差，所以一般不用纤维增强钢铁，加上颗粒成本低，一般情况 下又可以满足零件的性能要求，所以颗粒复合材料具有较大的实用价值。颗粒 增强钢铁基复合材料由于融合了钢铁和增强颗粒的特性，既具有优异的力学性 能，又具有良好的耐磨、耐高温和一定的耐蚀性，因此是一种优良的结构材料。 但长期以来由于钢铁的熔点高、密度大以及常用增强颗粒在钢中易产生偏聚等 问题，使得目前钢基和铁基复合材料的研究应用很少。然而现代工业的发展又 迫切需要能够在高温、高速和高磨损条件下工作的结构件，因此进步研究和开 发铁基和钢基复合材料仍有十分重要的意义。 复合材料中的增强颗粒一般要求具有高强度、高硬度、高模量，常用的增 强颗粒有w c ，t i c ，s i c ，a 1 2 0 3 ，t i n 等碳化物，氧化物、氮化物。选择增强 颗粒的参数包括弹性模量、密度、拉伸强度、熔点、热稳性、热膨胀系数、尺 寸、形状、与基体的相容性及成本等，具体选择增强相时要将复合材料的用途、 生产工艺及成本等综合起来统筹考虑【25 。2 。 颗粒增强复合材料的基体金属和增强颗粒的选择需要综合考虑的因素是： ( 1 ) 使用性能：作为结构材料，获得满足特定的使用性能是复合材料设计 需要考虑的首要因素。这些性能包括高强度、低密度和高的耐磨性。 ( 2 ) 工艺特性：颗粒增强金属基复合材料的制备工艺可分为固相法( 粉末冶 金法) 和液相法。粉末冶金法是将固态基体金属粉末和增强颗粒机械混合后，在 一定的温度和压力条件下压制、烧结成型。在粉末冶金法制备过程中，金属基 体与增强粉末材料的组合、配比，颗粒尺寸的控制及热压成形工艺控制是材料 性能控制的主要环节。而液相法需要 特殊考虑的问题包括：基体金属液与 增强颗粒的润湿特性及化学作用和由于增强颗粒与基体金属液的密度差异而 导致的比重偏析。 ( 3 ) 生产成本：作为工业结构材料，复合材料的生产成本是需要考虑的重 要因素。 目前颗粒增强钢铁基复合材料中已经发展和正在发展中的包括减摩金属陶 瓷材料、金属玻璃复合材料、复合摩擦材料、钢碳化物复合材料和弥散强化钢 基复合材料等等，世界各国的研究已经取得了很大的进展，我国在这方面的研 究也在紧追世界潮流。 1 4 颗粒增强金属基复合材料的制备工艺 颗粒增强金属基复合材料的性能、成本及应用等在很大程度上取决于其制 备技术。因此，研究和发展有效的制备技术一直是颗粒增强金属基复合材料研 究的重要课题之一。随着人们对颗粒增强金属基复合材料研究的不断深入，近 年来颗粒增强金属基复合材料的制各技术发展也十分迅速。 1 4 1 粉末冶金法 粉末冶金法是制备金属基复合材料的传统方法。粉末冶金是用金属粉末( 或 金属粉末与非金属粉末的混合物) 作为原料，经过成型和烧结制造金属材料和 复合材料以及各种类型制品的工艺过程。采用粉末冶金法制备复合材料时，能 够直接生产出具有特定形状和尺寸的零件，目前已经成功的制备了多种金属基 复合材料。 粉末冶金法制各金属基复合材料具有以下优点： ( 1 ) 烧结或热等静压的温度低于金属的熔点，可以减少因高温引起的增强 材料与金属基体的界面上的反应，同时可以通过烧结或热静压的温度、压力和 时f 司等工艺参数的调整来控制界面反应； ( 2 ) 可以根据所设计的金属基复合材料的性能要求，制造任意比例的短纤 维或颗粒增强的复合材料； ( 3 ) 可以降低增强体与基体相互润湿的要求，也降低增强体和基体的密度 差要求，使颗粒或短纤维均匀分布在金属基复合材料中，粉末冶金法制备的金 属基复合材料可以通过传统的金属加工方法进行二次加工，进步提高性能和 尺寸精度。 1 4 2 液相法 ( 1 ) 传统铸造方法 粉末冶金法存在工艺复杂、成本高、零件的结构尺寸受限制等缺点。而采 取铸造法则克服了粉末冶金法的不足，它是直接把增强颗粒加入到液态金属中， 使颗粒在液态金属中均匀分布，并最终弥散分布于固态金属基体中。这一方法 因为工艺比较简单、制品质量较好，所以受到普遍的关注。现在面临的主要问 题是液态金属与颗粒之间的润湿性不好和比重差较大，为此，人们研究了多种 工艺方法，希望得到理想的复合材料性能，目前这方面的研究十分活跃i2 7 。”。 表i - 1 ：复合材料的制取工艺 t a b l e1 - 1 ：t h ep r o d u c i n g ；m e t h o d so f c o m p o s i t e s 制造工艺特点存在问题 粘结剂渣化，预制块烘干工艺不 铸渗法表面局部复合 易掌握 环型件，外表面或内表面复 离心铸造法凝固速度不易控制 台，粒子与母材比重差大 真空吸铸法 表面局部复合 压力及颗粒预热温度范围不易 压力铸造法控制 整体复合，适用于低熔点合 颗粒易偏析搅拌过程中易吸气液态搅拌法 金 整体复合，颗粒与基体比重工艺复杂，需快速凝固，粒子含 喷射分散法 差小量不易控制 半故态铸造法楗体复合工艺复杂，设备多 采用普通的铸造方法制备颗粒增强复合材料，由于颗粒的存在，往往难以 获得预计的复合材料性能，所以人们就针对不同的零件要求改进了铸造法，提 出了不同的复合工艺。各种不同的铸造工艺详见表1 1 。 由表1 1 可以看出虽然铸造方法制备颗粒复合材料的工艺很多，但是往往 只是针对某一特殊的零件要求或环境要求，距离实用推广还有一定差距，总体 上还是处在试验阶段，还有很多问题有待解决。 ( 2 ) 喷雾共沉积法 除了表1 1 所列出的铸造工艺方法以外，喷雾共沉积法也引起了人们的注 意 10 , 3 2 这种方法在某些方面具有一定的优势，在一定程度上有实用的价值。 共喷沉积法1 9 6 9 年由ar es i a g e r 发明，随后由o s p r a y 金属有限公司发展成 工业规模生产的制造技术，其基本原理为：基体金属液通过特殊的喷嘴，在惰 性气流的作用下雾化成细小的液态金属流并和增强颗粒一起沉积在衬底上，凝 固形成复合材料。共喷沉积法过程中，增强颗粒和基体金属熔液的接触时间较 短，凝固速度快，在基体金属熔液和增强颗粒之间具有化学反应倾向的情况下， 有利于减轻增强颗粒和基体金属熔体之间的化学反应，不易形成脆性化合物； 不会出现因重力作用引起的增强颗粒的沉聚问题，且由于冷却速度快，所得复 合材料的组织和快速凝固相近，晶粒细、无宏观偏析、组织均匀；可以通过控 制喷射角度和速度来控制增强颗粒的加入量和分布。但在应用上受到零件形状 的限制，且原材料利用率不高、制成品的孔隙率较高。 ( 3 ) 原位合成法 原位合成法是利用合金液体的高温，使熔体中的合金元素和化合物发生反 应，生成增强相颗粒，这就避免了外加颗粒尺寸较大且分布在晶界的问题。而 且一般的铸造方法存在一些缺陷，如基体与增强颗粒润湿不良，界面反应生成 脆性层，增强体分布不均匀等。原位合成法就克服了这一系列的问题。一般的 讲，原位反应有三种类型：一种是气体和液体的反应如：f e a i + n 2 0 2 一一 f e a 1 + a 1 2 0 3 ；另一种是液体和液体的反应如：f e t i 】+ f e 【b 卜一一f e + t i b ；第三 种是液体和固体的反应如：f e t i 】+ f e c 卜一一f e + t i c 。 原位自生成复合材料中增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳 定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，基体与增 强材料间的相容性好，界面干净、结合牢固，特别当增强材料与基体之间有共 格或半共格关系时，能非常有效地传递应力，因此这种复合材料有较优异的力 学性能。省去了增强体单独合成、处理和加工等工序，工艺简单，成本较低， 在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度 和弹性模量。 目前面临的主要问题是，在原位反应时，除了预计生成的增强体以外，仍 不免有其他副反应夹杂物存在，同时对增强体的体积分数也难以精确控制，因 而影响材料质量稳定性，这些都是急待解决的问题。但是虽然存在一些问题， 原位复合仍然是很有发展前途的，具有广泛的应用前景，需要我们进步研究 和推广。目前原位合成技术制各复合材料的研究已经在我国展开，已见公开的 有a 1 基颗粒增强复合材料和f e 基颗粒增强复合材料m 。 1 4 _ 3 电冶熔铸法 针对上述制各工艺的不足，合肥工业大学材料学院尤显卿等人与沈阳工模 具研究所合作经过多年的研究攻关，研制成功了新型的颗粒增强钢基复合材料 生产新工艺一电冶熔铸法来生产颗粒增强钢基复合材料，并已被授予发明专 利权 3 6 - 3 8 。该工艺是将粉末冶金技术、冶金铸造技术和被称为当今冶金前沿技 术中的电渣熔铸工艺进行相互结合而成的种新的生产工艺。利用该工艺生产 出的颗粒增强钢基复合材料具有以下优点： ( 1 ) 颗粒增强钢基复合材料的孔隙小，无孔洞，组织致密性高，韧性好。 ( 2 ) 硬质相在基体中分布均匀，无碳化物桥接相存在和严重的碳化物偏析， 从而解决了粉末冶金工艺中液相烧结与固相烧结无法同时兼顾的致密化与均匀 化的难题。 ( 3 ) 该工艺利用增强颗粒在高温下的微熔，使之与高温金属液体之间产生 相互扩散、浸渗、熔融等反应，结合金属液体快速结晶技术，所生产的产品中 的硬质相与基体金属组织达到冶金结台，使得基体材料得到强化，耐磨性得到 很大提高，且产品具有高硬度、高强度及良好的韧性相配合等优点。 ( 4 ) 该工艺在生产过程中，其产品的外形尺寸不受工艺限制，可以根据实 际要求生产各种大型产品( 从几公斤到几十吨的产品) 和异型产品。 ( 5 ) 产品生产成本低，周期短，效率高。和粉末冶金工艺相比，生产成本 可