（材料学专业论文）Felt3gtAlTiC复合材料的微观组织与力学性能研究.pdf

山东人学硕卜学位论文 摘要 金属日j 化合物具有长程有序的特殊结构，高温强度、高温蠕变和抗氧化耐腐蚀性能 优于大部分金属材料，韧性优于陶瓷材料，并且具有在一定温度范围内强度随温度升高 的特性。f e 3 a i 有望作成为一种新型的高温结构材料，然而室温环境下的脆性、低强度和 温度超过6 0 0 ( 2 时强度急剧下降等弱点阻碍了其实际应用。各种方法已经用于提高其性 能。采用加入高强度高模量的第二相如晶须、颗粒制备复合材料有效的提高了它的中高 温力学性能。t i c 由于自身的高熔点( 3 0 6 5 c ) 、低密度( 4 9 3 9 c m d ) 和高模量( 4 6 0 g p a ) 被广 泛用作金属基复合材料的增强相。本文采用机械合余化法制得f e 3 a i ，然后与t i c 混料进 行热压烧结，制得t i c 含量从1 0 v o i 至u 4 0 v o i 的复合材料，得到了最佳配比，获得了较 理想的力学性能 采用机械合会化制备f e - a i 金属日j 化合物粉体，并借助x r d 、s e m 、t e m 和d s c 等测试手段，研究了机械合金化及低温退火过程中的组织结构演变、f e 3 a i 粉体烧结后的 块体的微观结构和力学性能。研究表明，f e ，a i 元素粉末在机械合会化过程中形成无序 a f e 过饱和固溶体球磨过程中晶粒细化和微观应变同时存在，且微观应变随球磨时间 的增大而增大。利用真空热压烧结制备了块体f e 3 a i ，抗弯强度和断裂韧性分别达到1 3 0 0 m p a 和4 9m p a m 崛这些优异的力学性能来源于晶粒细化和组织均化效应。 将预制f e 3 a i 粉体与t i c 粉体按所需配比通过球磨混料均匀，在1 3 0 0 ，4 0 m p a 真 空条件下热压烧结3 0 m i n ，制得f e 3 a l x v 0 1 t i c ( x = 1 0 ，1 5 ，3 0 ，4 0 ) 复合材料，所得试样为 直径4 2 m m 、厚度6 m m 的圆柱体在复合材料中，除了f e 3 a i ，t i c 两相外，还发现了细 小的a 1 2 0 3 峰以及f e 3 a i c o 5 峰。 虽然在复合材料中都不可避免的观察到气孔，但是通过热压烧结方法得到的复合材 料的致密度仍然是比较高的，达到了9 3 9 7 ，其中含有n c 3 0 v o l 的相对密度最高 对复合材料的t e m 观察证实了s e m 结果，t i c 颗粒或者被f e 3 a l 包裹其中形成内 晶，或者被推挤至晶界处位于晶界处的第二相粒子可钉扎基体晶界，从而有效抑制晶 界在高温的迁移，对f e 3 a i 晶粒尺寸的稳定起到积极作用通过控制t i c 的百分比和烧 结过程可以达到细化晶粒的目的，这些都有利于得到较好的力学性能。其中复合材料 t f 3 0 的性能最好，弯曲强度、断裂韧性、硬度分别达到了8 8 0 m p a 、1 4 7 m p a m ”2 、8 6 h r a t i c 的j j u h 有效的提高了材科的力学性能，在f e 3 a l f f i c 复合材料中存在着h a l l p e r c h 强化和o r o w a n 强化两种强化机制，前者发挥主要的强化作用。 关键词：f e a l 金属间化合物，t i c ，复合材料，微观组织，增强机制，力学性能 些查叁兰堡! ：兰丝堡塞 a b s t r a c t o r d e r e di n t e r m e t a l l i c a l l o y sa r eo fc o n s i d e r a b l ei n t e r e s td u et ot h e i rh i g hm e l t i n gp o i n t s ， l o wd e n s i t i e sa n de x c e l l e n to x i d a t i o na n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e f e 3 a ii st h u sa na t t r a c t i v e m a t e r i a lf o raw i d e v a r i e t y o fh i g h - t e m p e r a t u ms t r u c t u r a lm a t e r i a l s h o w e v e r , w i d e c o m m e r c i a lu s a g eo ff e 3 a ii sl i m i t e dd u et oi t sl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r ed u c t i l i t y , p o o r s t r e n g t ha n dc r e e pr e s i s t a n c ea b o v e6 0 0 ( 2 v a r i o u sm e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt oi m p r o v et h e p r o p e r t i e s a n dc o m p o s i t et e c h n i q u et h a ts e c o n d a r yr e i n f o r c i n gp h a s ew i t hh i g hm o d u l e sa n d s t r e n g t hs u c ha sw h i s k e r s ，p a n i c l e s ，p l a t e l e t sa r ed i s p e r s e di nm a t r i x ，h a v ei m p r o v e dt h em i d a n dh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o y sc a nb ei m p r o v e db y r e i n f o r c i n gt h e mw i t hp a r t i c l e ss u c ha st i cb e c a u s eo fi t sh i g hm e l t i n gp o i n t ( 3 0 6 5 c ) ，l o w d e n s i t y ( 4 9 3 9 c m 。) h i g he l a s t i cm o d u l u s ( 4 6 0 g p a ) t h ea i mo ft h i sw o r ki st oo b t a i nf e 3 a 1 b a s e dn a n o c o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i t ht i cp a n i c l e sb yh o t p r e s s i n gs i n t e r i n g ，c h a r a c t e r i z et h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp h a s eo ft h ec o m p o s i t e sa n da n a l y z ep o s s i b l ep r o c e s s i n gd e f e c t s , s u c ha s v o i d so rd e b o n d i n ga ti n t e r f a c e sa n df i n a l l yp r o v i d e sb a s i ce x p l a n a t i o n sf o rt h es t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m so f t h ec o m p o s i t e s n a n o - f e s a ip o w d e r sa r ep r e p a r e db ym e c h a n i c a la l l o y i n gt e c h n o l o g y t h es t r u c t u r a l e v o l u t i o no ff e - a ie l e m e n t a lp o w d e r sd u r i n gm e c h a n i c a la l l o y i n gp r o c e s su n d e rt h ep r o t e c t i o n o fa r g o na t m o s p h e r ea n dl o wt e m p e r a t u r ea n n e a l i n gp r o c e s s ，a n dt h em i e r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f b u l kf e 3 a ih a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ym e a n so f x r d 、s e m 、t e ma n d d s c t h er e s u l t ss h o wt h a td i s o r d e ra - f es o l i ds o l u t i o nf o r m e dd u r i n gm i l l i n g t h er e d u c t i o n o fc r y s t a ls i z ea n dt h ei n c r e a s eo fm i c r o s t r a i ne x i s ts i m u l t a n e i t y , a n dt h em i c r o s t r a i ni n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n go fm i l lt i m e t h ed i s o r d e ra - f es o l i ds o l u t i o nt r a n s l a t e st oo r d e rd 0 3 s t r u c t u r et h r o u g ha ia t o mo r d e rr e a r r a n g e m e n t t h er o o mb e n d i n gs t r e n g t ha n df r a c t u r e t o u g h n e s sw e r e13 0 0m p aa n d4 9m p a m 怩t h ee l e v a t e dl o o mm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e s u l t f r o mt h ee f f e c t so ff i n eg r a i na n dh o m o g e n e o u ss t n l c t u r ee f f e c t s ， f e 3 a i t i cc o m p o s i t e s w e r e p r e p a r e db yh o t - p r e s s e dv a c u u ms i n t e r i n g t h em i x e d p o w d e r sw e r ep l a c e di n t oag r a p h i t ed i ea n dh o tp r e s s e da t1 3 0 0 c i na ra t m o s p h e r eu n d e r4 0 m p af o r3 0 r a i n t h ed i m e n s i o n so ft h eh o tp r e s s e ds p e c i m e n sw e r e4 2 r a md i a m e t e ra n d6 m m t h i c k i ts h o w st h a ti na l ls a m p l e sb e s i d e st h em a j o rp e a k so ff c ，a la n dt i c ，s o m ev e r ys m a l l a m o u n t so fn e wp h a s ep e a k sa r eo b s e r v e d a sc o m p a r i n gw i t hs t a n d a r dp d fc a r d ，t h en e w n 一些奎叁兰堕! 兰丝丝兰 p h a s e sa r ep o s s i b l ya 1 2 0 3a n df e 3 a i c o5 g e n e r a l l y , l o wp o r o s i t yl e v e l sa r ef o u n di na l li n v e s t i g a t e dc o m p o s i t e sa sl o n ga st h e c e r a m i cv o l u m ef r a c t i o ni s n o tt o oh i g h t h ec e r m e t sh a v ead e n s i t ye q u a lt o9 3 - 9 7 o ft h e t h e o r e t i c a lv a l u e o p t i m u md e n s i t y , l e m i n i m u mp o r o s i t y , i so b t a i n e df o rt i cv o l u m ef r a c t i o n o nt h eo r d e ro f 3 0 c o n v e n t i o n a lt e ms t u d i e so ft f 3 0c o n f i r mt h es e m i n v e s t i g a t i o n st h a tt h et i cp h a s e f o r m ss m a l lp a r t i c l e sl o c a t e da tf e 3 a i f e 3 a ig r a i nb o u n d a r i e sa n di n t r a g r a n u l a rm i c r o s t r u c t u r e p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nn a n o c o m p o s i t e s c o n t r o l l i n gt h et i cc o n t e n t sa n ds i n t e r i n gp r o c e s s c o u l do p t i m i z et h eg r a i ns i z eo ft h ei n t r a g r a n u l a rt i c ，w h i c hh e l p st oo b t a i ng o o dm e c h a n i c a l p r o p e a i e s t h ec o m p o s i t et f 3 0e x h i b i t sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w i t hb e n d i n gs t r e n g t h 8 8 0 m p aa n df r a c t u r et o u g h n e s s1 4 7 m p a m 2 r e s p e c t i v e l y t h ea d d i t i o no ft i cp a r t i c l e si m p r o v e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e m a r k a b l y t h em a j o r s t r e n g t hm e c h a n i s mw a st h eg r a i ns t r e n g t h e n i n g ，t et h ei n d i r e c ts t r e n g t h e n i n gi sm u c hg r e a t e r t h a nt h ed i r e c ts t r e n g t h e n i n g k e y w o r d ：f e - a ii n t e r m e t a l l i c ，t i c ，c o m p o s i t e ，m i c r o s t r u c t u r e ，r e i n f o r c i n gm e c h a n i s m ， m e c h a n i c a lp r o p e r t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 寺进行研究所取彳导的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任t 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出蕈要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垫；i l !日期：呈q 丛s ，阽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 幽家有关部i j 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学f j 丁以将本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，缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：皇：! i 墨导师签名：魂童隧日期：三! 堕三丝 山东大学硕f 学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 在金属材料q 一，会属| 日j 化合物一直作金属基体的强化相。人们通过改变金属问化合 物的种类、分南、析出状态以及相对含量等来达到控制基体材料性能的目的。由于具有 许多独特的性能，会属日j 化合物本身作为一类新型材料正得到日益广泛的研究和开发 i t - s 1 。由于其耐高温，抗腐蚀，金属间化合物成为航空、航天、交通运输、化工、机械等 许多领域的重要结构材料；又由于声、光、电、磁等特殊物理性能，也可作为半导体、 磁性，储氧、超导等方面的功能材料。特别是用作高温结构材料的有序会属问化合物。 具有许多良好的力学性能和抗氧化、耐腐蚀以及比强度高等特性，其原子长程有序排列 和原子i 日j 会属键和共价键的共存，使其有可能兼具金属的塑性和陶瓷的高温强度，因而 极具应用前景。 目前作为高温结构材料的有序会属问化合物，国内外重点研究并取得雹大进展的主 要为n i a l ，n a l 以及f e a l 三个体系的a 3 b 和a b 型铝合物1 6 1 f e 3 a l 金属问化合物，由于不含战略元素，成本低( 只有不锈钢的1 3 ) ，具有优异的 抗氧化性，抗腐蚀性和较高的高温强度，在硫化气氛中甚至优于不锈钢及防腐涂层，很 有可能成为类实用工程材料并在某些场合代替不锈钢、耐蚀合金，以节约镍、铬等资 源。 然而，由于室温脆性和6 0 0 c 以上强度急剧下降这两个被认为是f e a a i 的致命弱点， 这类材料未能作为结构材料在工业上得到实际应用。近年来，通过采取机械合金化的方 法添加如c r 、m o 、n b 、w ，t i 等合金元素1 6 1 以及用合适的热机械处理工艺使f e 3 a i 合 会的室温塑性和高温强度得到明显改善此外，通过合成陶瓷增强颗粒如a 1 2 0 3 、w c 、 t i c 、t i n 、z r b 2 、t i b 2 等可以弥补合会的高温强度低的不足 7 - 1 但是颗粒加入量的增 多又使得室温塑性低的缺陷重新突出，同时颗粒相的增多也会导致在熔铸过程中的颗粒 团聚，对合会的力学性能产生不利的影响 碳化钛属于非氧化无机材料中应用比较早的一种原料由于其低密度、高硬度以及 极好的高温强度，易加工性、易结合性，很多硬质工具材料和会属陶瓷材料都采用它【1 2 1 。 目前，文献中报导较多的是利用t i c 作为增强相，制备成钛基、铝基、镍基、铁基和钨 基等复合材料因此，t i c 颗粒增强金属基复合材料具有广泛的发展前景。 山东人学硕 学位论文 本项研究正是基于f e 3 a l 金属问化合物现有缺陷，本着同时兼顾陶瓷和会属性能优 势研究具有优异综合性能的新型f e a a i t i c 复合材料为背景而提出的。 1 2 研究意义 会属问化合物。由于其原子结合键上的特点，作为高温结构材料具有巨大的潜力。 f e 3 a i 化合物是目前重点研究的对象之一。这种合会具有优异的抗氧化性，多种介质中的 抗腐蚀性，密度较小，由于不含贵重会属元素，战略元素，因而成本较低，极有可能成为 新一代高温结构材料。但是与其他金属问化合物一样，f e 3 a l 同样存在宅温脆性与高温强 度偏低的缺点。因此，如何克服这些缺点具有很现实的意义 1 3f e 3 a i 金属问化合物的结构特点 1 3 1f e 3 a l 金属间化合物的相结构 f e 3 a i 合金一般是指含铝量2 5 3 5 的f e 趟合金，图1 i 为f e a l 合会的局部相图1 1 3 1 其相组成包括：无序固溶体o ( 或a 2 ) 相，b 2 结构的有序相( 或y ) ，d 0 3 结构的f e 3 a i 有序相，以及两相区a + b 2 和q + d 0 3 以含铝量为2 5 2 8 ( a t ) f e 3 a i 为例，高温时 为无序q 相在7 5 0 - 9 5 0 0 c 发生有序转变为b 2 相，在5 5 0 0 c 左右再次发牛有序化转变为 d 0 3 相( 如图l 2 ) b 2 超结构是由体心立方的a 2 结构派生而来，化学式为f e a i ，f e 与 a l 原子分别位于体心和顶角位置，构成f e - a i 近邻关系而呈有序排列，把a 2 型与b 2 型 单胞沿 1 0 0 、【o l o 、【o o t 方向两两堆放在一起，就构成有序度更高的d 0 3 结构，d 0 3 超结构相和同一成分的b 2 有序相中的原子占位见图1 - 3 1 h 1 。f e 3 a i 的每个晶胞由4 个a 2 型的小晶胞( 相当于纯f e 的单胞) 和4 个b 2 型的小单胞( 相当于f e a i 超结构的单胞) 交替堆垛而成。 l 蹦i - tf c a i 合金相豳州 f i & i - it h ep h a s ed i a g r a mo f f e a ia o ” oa l of e 豳i 2f c a i 舍届问化台物结构 f i 9 1 - 2t h en n 虻山代o f f e - a ii n t c n n c t a i l i c s 山东大学硕十学位论文 ，“，d - h 一f l 。一 ， f “- 一 o 一 i 圈i - 3 化学计量成分的b 2 和d o ，有序结构晶胞1 1 4 1 f i g i 3 u n i t c r y s t a lc c l l o f b 2 a n d d o ；o r d c r c ds t m c h i o m e t r i cf c 4 i 【1 4 1 1 3 2f e 3 a i 的室温脆性 室温下，f e 3 a l 的塑性较差，发生脆性断裂，长时间以来人们认为可能是 下列原因造成的：低的解离强度【b i ，即这种脆性是本质存在的；有害的晶界 偏聚或者晶界上的无序化造成弱的品间断裂。 1 9 8 9 年，刘锦川通过真空中的试验发现f e 3 a l 以及f e 3 a i 合金的塑性比 在空气中有较大提甜1 6 1 ，并且试验进一步指出，水汽与合金中的a l 发生反应： 2 a i + 3 h 2 0 一a 1 2 0 ；+ 6 h ( 1 1 ) 是这类合会脆性的原因，水汽与裂纹尖端发生作用，形成了原子态的h 渗入 会属内而导致裂纹。 在此基础上有人从f e 3 a l 合会表面在不同介质中反应动力学迸一步阐 述了氢脆的产，主【1 7 1 ，认为f e 3 a l 的脆性不是本质存在的，而是外界因素，即 环境产生脆性。在认识f e 3 a j 室温脆性的原因后，不少研究者为减轻环境脆 性做了大量工作【”i 。 1 3 3f e 3 a i 的合金化 i 3 a i 合金的成分可以在化学计量比处上下波动，大量的研究工作主要集 中在含2 4 , - - 3 0 a 1 的合金中，研究表明，屈服强度随a l 含量的升高而降低， 而延伸率却逐步升高( 图i 4 ) 。同时考虑两方面的协调，最优的a l 含量定为 2 8 ，在此基础上发展出一系列f e 3 a i 合会，并将合会化的元素分为两类，一 类是固溶作用的元素，如n i 、s i 、c o 、t i 、m n 和c r ：另一类是难固溶元素， 山东人学坝i 。学位论文 如m o 、w 、z r 、h f , n b 和t a 等，它们对性能的影响如表1 1 所示。m c k a n e y ”l 等还研究了f e 3 a l 屈服强度与温度的关系，发现a l 的原子分数介于2 6 一3 0 时，在5 5 0 - - 6 6 0 范围内屈服强度出现反常峰( 图1 5 ) ，他的出现与相变时 位错滑移方向的改变有关1 1 9 删。这些结论对f e 3 a l 的制备和加工工艺有着重要 的参考价值。 f e 3a l 合金具有很好的热强性，但是不能持续很高的温度，与虑这点， 设计合会成分时应设法提高d 0 3 b 2 转变温度瓦，使屈服强度峰值移向更高的 温度，扩大f e 3 a l 的热强性范围，从而提高其高温强度2 1 1 。c r 是迄今为止发 现的唯一降低疋的合金元素，其他元素，尤其是s i 和n 的作用更为明显【埘 总起束说，比较一致的看法是，c r 是迄今为止改善室温塑性最有效的元 素，在加c r 的基础上，再加入其他强化元素c e 、m o 、n b 和z r 等将是综合 提高f e j a j 性能的一条途径：m o 是提高f e 3 a 1 合金高温强度的有效元素，c e 对品界产生净化和析出强化，可以使f e 3 a l 合金性能得以良好的匹配，加入 m o 、n b 、z r 等将使f e 3 a l 的晶粒细化，并析出颗粒相分布于基体中，有效的 改善合会的离温强度，详细结果如表1 1 所示矧： 4 1 瑙 塌 重 匾 幂 苷 置 撼 舢原子狰救， 幽i - 4f 白a i 的力学性能与铝含量的关系 f i g 1 4 t h e a iv o l u m e f r a c t i o n a s a f u n c t i o n o f b e n d i n g s t r e n g t h 勺 量 ： 苗 岳 三 = 竺 _ 器 d 圈l - 5f c ，a i 的力学件能| j 温度的关系 f 嘻i 5 t h es i n t e r i n g t e m p e r a t u r e a f u n c t i o n o f b e n d i n gs u g t h 山东太学顾千学位论文 1 3 4 热处理 热处理对f e 3 a l 力学性能影响是多方面的f 6 , 2 抛 i i ，主要表现在： i ) 热处理引起弥散强化或固溶强化； 2 ) 热处理可以改变相结构； 3 ) 热处理影响和改变合金元素和杂质在晶界的偏聚，从而影响力学性能 和断裂方式： 4 ) 热处理影响f e 3 a i 的残余空位浓度，而空位引起的位错环或者空位串 引起的位错钉扎改变了f e 3 a z 的长程有序基体，在长程有序基体中出 现了一个个无序小区，引起f e 3 a i 性能的改变； 5 ) 热处理通过改变再结晶程度来改变晶粒形状、大小和残余应力的大 小，影响f e 3 a l 合金的力学性能： 6 ) 热处理可以改变环境对f e 3 a l 性能的影响另外，热处理对f e 3 a i 表 面硬度也有很大的影响 1 3 5 制备工艺 f e 3 a ) 合会的制备工艺主要包括熔铸或粉末冶金以及后续的热加工采用 山东人学硕1 ：学位论文 熔铸工艺可使产品成本下降，效率提高，但铸奁组织晶粒粗大，成分偏析，馒 f e 3 a l 合会材料的脆性断裂和室温时的低塑性更为突出。近年来，粉末冶会法 制备f e 3 a i 基合金已引起了人们极大关注该方法以单质或合会粉末为原料， 一般在采用常规塑性加工方法对粉来进行固结成形后，再经烧结即可直接获 得所需形状的f e 3 a j 基合会制件，与铸造f e 3 a j 基合会相比，粉术冶会法制 各的f e j a j 基合金组织更均匀，更细小 粉末冶会制备f e 3 a j 基合会的具体方法主要有：机械合会化【2 3 i 燃烧合成 2 9 - 3 1 l 、反应烧结【3 2 i 、快速凝固法1 3 3 l ，预合金粉术法i 州等。这些方法并不是独 立的，常常两种或多种方法结合在一起，很难严格区分【3 5 1 。 1 4t i c 陶瓷及其复合材料研究现状 颗粒增强金属基复合材科的研究从7 0 年代后期得到蓬勃发展，目前已得 到一定实际应用陶瓷增强体添加到金属基体中主要导致两类力学行为：一 是提高基体的弹性模量从而产生模量强化：二是导致复合体基体有复杂的 显微组织，从而产生基体强化。强化效果同增强体的性质、形状、尺寸和分 布以及增强体与基体的复合界面有关。t i c 是一种低密度( 4 9 3 9 c 瑚一) ，高熔点 ( 3 0 6 5 ) ，高弹性模锈( 4 6 0 g p a ) 的硬质陶瓷，而且具有较低的反应生成自由能， 是使用和研究最多的增强剂之一，主要物理性能如表i 2 所示在工业上生 产t i c ，般是使用瓢0 2 与碳黑在高温下短时间内反应而得到t i c 其化学 反应方程式如下： 2 t i 0 2 + c = t i 2 0 3 + c o ( 1 - 2 ) t i 2 0 3 + c = 2 t i o + c o ( 1 3 ) h o + c o = t i c + 0 2 ( 1 - 4 ) 由于钛的氧化物的稳定性很高，生成t i c 的反应必须在高温下进行( 1 8 0 0 2 0 0 0 ) 山东大学硕士学位论文 表i - 2t i c 、f e ，a i 的物理性能 t a b l ei 2p h y s i c s p r o p e r t i e so f t i ca n d f e , a 1 5 机械合金化工艺 所谓机械合金化( m e c h a n i c a la l l o y i n g 简称m a ) ，就是通过高能球磨的方 法，欲合会化的粉末在频繁的碰撞过程中被捕获，发生强烈的塑性变形，冷 焊形成具有层片状的复合粉末，这种复合粉末又因加工硬化而发生碎裂，碎 裂后的粉未露出新鲜原子表面又极易发生焊合如此粉末不断重复着冷焊、 碎裂、再焊合的过程，其组织结构则不断细化。最终达到原子级的混和而实 现合会化的目的1 4 埘j 与传统的熔炼合金化相比，m a 法具有以下特点： ( i ) t 艺条件简单经济； ( 2 ) 操作成分连续可调： 一 ( 3 ) 能涵盖熔炼合金化所形成的合会范围，而对那些不能或很难通过熔炼 实现合金化的系统实现合金化； ( 4 ) m a 法制备非晶或其它亚稳态材料极具特色 作为一种较新颖的工艺方法，m a 法虽有许多优点，亦存在一些问题， 如m a 过程中粉末材料的污染，m a 法制备的亚稳合金粉末的成型也是当前 面临的一大工艺难题。用机械合会化工艺可由元素粉末直接合成会属鲥化合 物，在国外被认为是研制会属间化合物材料很有前途的方法，该工艺不仅经 济而且迅速、产量大由于金属间化合物的熔点高，用熔炼的方法制备金属 日j 化合物比较困难，而且容易产生偏析而用机械合金化工艺制备的会属问 化合物材料，可使材料成分非常均匀且晶粒尺寸可以很细达到纳米级。金属 问化合物被认为第二代高温合金，世界各国都在投入人力物力竞相研究发展 7 山东人学顾十学位论文 r a d l i n s k i 等人【4 5 1 用m a 法合成了多种会属i b j 化合物如表1 3 。 表i 一3 会屐问化合物的物理竹能 t a b l el 3m c c h a m c a lp r o p e r l i e so f i n t m e t a l l i c s 1 6 金属基复合材料的强化机制 复合材料的强化机制和强度预报一直是材料学的研究热点，因为这涉及 到材料的组织设计问题。总结分析近年来有关金属基复合材料的强化机制主 要有以下相关模型： 1 6 1 增强体承载与载荷传递 会属基复合材料的主要强化机制是载荷从基体向增强体的传递，增强体 是载荷的主要承担者1 4 6 1 ，所以载荷传递机制是很重要的强化因素相关的强化 模型很多，最简单的就是混合定律。根据混合定律，金属基复合材料的流变 强度可以表达为： o 。= o 。v 。4 - o p v p ( i - 5 ) o 。一复合材料的强度： 0 。一基体的强度： o 口- 一增强体颗粒的强度： y 。，yn 一基体、增强体的体积分数。 利用混合定律预测的强度与实际强度值差异很大，特别足在离体积分数 8 山东丈学硕士学位论文 时。主要原因是因为混合定律没有考虑诸如增强体的形状、空日j 分布等与组 织有关的因素对材料性能的影响。此外对于增强体形状不规则的复合材料， 混合定律的等应变假设也不成立因此该模型预测的流变应力通常是正确值 的上限。 1 6 2 基体中的位错强化 在金属基复合材料中，由于基体的热膨胀系数一般要比增强相的热膨胀 系数大许多，因而在制备和热处理过程中均可在基体材料中产生塑性变形而 形成高密度位错，导致强化1 4 8 1 位错强化被认为是m m c s 的一种重要的强 化机制。位错强化的作用取决于增强体的尺寸和体积分数【4 7 4 ”i 。目前， 大都借用描述弥散强化合金硬化机制的位错模型位错模型主要包矧5 2j ：( 1 ) o r o w a n 模型：( 2 ) 林位错硬化模型：( 3 ) 弹性栓模型：( 4 ) 冲孔模型 r a m a k r i s h n a n 综合了增强体承载和基体中位错强化的作用。提出了球化模型 t 圳。它把复合材料分为如图所示的三个区域：弹性增强体、周围的基体塑性 区和外围弹性区( 如图1 - 6 ) 图1 6 颗粒增强m m c s 的球形近似 f i g 1 - 6c o m p o s i t es p h e r ea p p r o x i m a t i o no f t h ep a r t i c u l a t cr e l n f o r e e dm m c s 假设塑性区为理想的塑性状态且体积不变，用米塞斯有效应力描述流变 应力，在整个球化模型中，假定温度是一致的，则复合材料的屈服强度的表 达式为： = 巳( 1 + 兀x l + ) ( 1 6 ) 其中，正= k g 。b 4 p o j , ； 9 山东人学颂f 。学位论文 ：= 0 5 ： 口。、一复合材料的屈服强度； o ，一基体的屈服强度。 厂d 和厂i 是与基体的位错强化和增强体的承载效应有关的修正因子。这说 明球化模犁考虑了颗粒的承载作用和位错强化的综合作用：七为接近于l 的常 数，在此取k = l 。平均位镨密度由下式【5 4 】得出： 一 9 6 a t r a t 吃 p 2 f ( 1 7 ) a 口一壤体合会与增强体的热膨胀系数之差： a t 加t 温度与终了温度之差： v 。体积分数： b 耩体的柏氏矢量： d 增强体颥粒的直径。 与位错强化模型相比。本模型不但考虑了位错密度的主导作用( 体现在颗 粒的大小上) 而且还考虑颗粒承载的作用( 体现在厂i = 0 5v 。上) 而且计 算结果衷明t 用该球化模型来预测微米级颗粒增强复合材料的强度是比较可 靠的，但是不适用于亚微米级颗粒增强复合材料 1 6 3 细晶强化 增强体加入到会属基体中引起的第二个重要作用是亚晶粒尺寸的减小 超细的哑晶粒尺寸会导致复合材料的增强【5 5j 。晶界强化，通常也是以细化晶 粒或亚晶来阻止位错运动实现的。从而在基体中产生按h a l l e t c h 关系式给出 的强化【5 6 i ： 盯一= k y i d 7 2 ( 1 - 8 ) 式中丘是个常数，一般为0 ，i m n m 抛 1 6 4 沉淀强化 0 晶体中沉淀相的存在能通过阻碍位错运动而产生强化，强化效果取决于 山东大学硕士学位论文 位错切过或绕过沉淀相所需力和它们的密度f 钥沉淀相强化分为有序强化、 弥散强化、堆垛层错强化和模量强化。m a h o n 等的研究还表明，沉淀相的产 生能增强界面的结合强度，并且加强载荷向增强体的传递f 5 8 j 。 1 6 5 固溶强化 包含溶质原子的相能对材料起到强化作用。如，溶有l i ，c u 和m g 的 富a l 相就能提高材料的强度锕。一般对固溶强化考虑尺寸效应、模量效应 和短程有序( s r o ) 的作用 1 6 6 混合强化 以往的不少研究常常采用综合强化模型，即把各种强化因素引起的强化 效栗叠加起来a r - s e n a u l t , m i l l e r 与h u m p h r e y s 等认为会属基复合材料的强度 是由增强体、基体合金的亚结构、松弛位错及热处理等多种因素综合作用的 结果，其综合强化公式为1 5 6 1 ： o c = o 垣_ 4 - o 鼍+ o 曲+ o 。呻节+ o ( i - 9 ) o 。一复合材料的强度； 0 缸i 一位错对强化的贡献，可由位错强化模型计算： o 。一亚结构对强度的贡献： o 响一加工硬化引起的应力增量； o 一一增强体引起的复合强化增量： 0 曲一热处理引起的强度增量。 1 6 7 协同强化 综合强化模型的计算值非常接近材料的实测值，但该式各分项均直接依 赖于实验的测试值。因而不方便用来说明复合材料的强化规律而且复合材 料的高强度并不是这些强化作用简单的叠加，而是这些因素相互之间协同作 用的结果f 4 6 5 5 娜1 因为强度与材料的原位特性有关，对材料中的界面，缺陷 以及材料的局部特性很敏感，是材料的高阶性能而在高阶性能中往往出现 山东大学顺 学位论文 协同效应【5 9 1 ，是指有几个因素同时在材料中起作用，材料的某些特性会发生 急剧变化的现象。这种现象在复合材料中多个强化机制同时存在时会表现出 来。 1 7f e 3 a i t i c 复合材料的关键技术及工艺路线 实现这一新， 9 复合材料的关键技术包括以卜三方面：i 、超细f e 3 a i 粉体 的制备。2 、增强相t i c 在基体f e 3 a l 中的均分散技术。3 、f e 3 a i - t i c 复合材 料的烧结制备技术。机械合会化是实现l 、2 的最佳的工艺路线，以机械合金 化为代表的高能球磨技术是一类理想的颗粒弥散强化复合技术l 删，在球磨过 程中，从外界加入高能量密度的机械强制作用，使粉末颗粒引入大量的应变、 缺陷以及纳米级的微结构，可以合成常规法难以合成的新型合金，而且可以 实现元素粉末混合物或化合物的纳米晶化甚至非晶化1 6 lj ，且产物的显微结构 上具有品粒细化和品粒分稚均匀的特点。通过适当地控制还可以使增强相达 到最佳分散| 6 2 j 。同时，采用这种方法，可制备高体积分数增强相的复合材料 ( 增强帽的体移 分数接近5 0 v 0 1 ) ，从而最大限度地提高材料的强度。 f e 3 a i t i c 复合材料的制备工艺思路见图1 7 ，首先通过高能球磨技术得 到晶粒细小且分布均匀的f e a i 预合会粉；然后低温退火以形成隔a i 会属 日j 化合物；f e 3 a i 粉与t i c 粉在有机介质中球磨混合得到均匀分散的复合粉体； 复合粉体进行热压烧结得到块体材料。 圉i 7 技术路线流程幽 f i gi - 7 s c h c m a l l co f p r o e c s s i n g 山东人学顾l j 学位论文 1 8 主要研究内容 第，为实现对基体f e 3 a l 粉体性能的可控性，采用机械合金化制备f e a l 金属日j 化合物。并对机械合会化及低温退火过程中的组织结构演变、f e 3 a i 粉体烧结后的块体材料的微观结构及力学性能予以表征和测试 第二，选取纳米级的t i c 为增强体材料，微米级的f e 3 a i 为基体，采用热 压真空烧结制备f e 3 a l 厂n c 复合材料。对影响其烧结性能的工艺参数进行实验 探讨，以确定屉佳工艺条件。对复合材料力学性能随烧结工艺、t i c 含量的变 化规律进行系统的研究。 第三，利用s e m ，t e m ，x r d ，e d s 等手段对复合材料的显微结构特点 进行观察分析，寻找影响其宏观力学性能的关键结构因素，分析探讨不同制 备工艺对复合材料微观结构及性能的影响。 第四，探讨复合材料的增强机制 山东大学磺i 。学位论文 参考文献 l o l 】范润毕，边秀膀，尹衍升f e 3 a i 金属间化合物研究山尔科学，1 9 9 7 ，1 0 ( i ) ：6 1 i 0 2 j 范润华，刘英才尹衍升f e i 金属间化合物强韧化研究进展1 9 9