第5章 金属基复合材料的成形加工

1、第第5 5章章 金属基复合材料的金属基复合材料的成形加工成形加工2022年3月7日星期一2本章主要内容本章主要内容铸造铸造塑性成形塑性成形焊接焊接切削加工切削加工连接连接晶须晶须, ,颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料 了解金属基复合材料成形加工技术的种类、特点，掌握铝基了解金属基复合材料成形加工技术的种类、特点，掌握铝基复合材料的轧制塑性和挤压塑性成形技术。复合材料的轧制塑性和挤压塑性成形技术。基本要求基本要求: 5.1 5.1 铸造成型铸造成型5.1.1 5.1.1 铸造成型方法与特点铸造成型方法与特点按增强材料和金属液体按增强

2、材料和金属液体的混合方式不同的混合方式不同正正压压铸铸造造拌拌铸铸造造负负压压铸铸造造2022年3月7日星期一45.1.1.1 5.1.1.1 搅拌铸造成型搅拌铸造成型利用合金在固液温度利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗流变性质，将增强颗粒搅入半固态熔液中粒搅入半固态熔液中，依靠半固态金属的，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因粘性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备密度差而浮沉来制备复合材料。复合材料。通过搅拌器的旋转运通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇布在液体中，然后浇注成型。此法所用设注成型。此法所用设备简单，操作方便

3、备简单，操作方便, ,但增强颗粒不易与基但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。材料的吸气较严重。搅拌铸搅拌铸造成型造成型2022年3月7日星期一5正压铸造成型可按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。 5.1.1.2 5.1.1.2 正压铸造成型正压铸造成型离心铸造法是在离心作用离心铸造法是在离心作用下将金属液体渗入增强材下将金属液体渗入增强材料间隙形成复合材料的一料间隙形成复合材料的一种方法。种方法。挤压铸造是按零件的形状挤压铸造是按零件的形状制作增强物预制块，将预制作增强物预制块，将预制块放入铸型制块放入铸型, ,在重力下在重力下浇入液态金属或合金，液浇入液态金

4、属或合金，液体在压头作用下渗入预制体在压头作用下渗入预制块。块。2022年3月7日星期一65.1.1.3 5.1.1.3 负压铸造成型负压铸造成型将预制体放入铸型后，将预制体放入铸型后，将铸型一端浸入金属液将铸型一端浸入金属液中，而将铸型的另一端中，而将铸型的另一端接真空装置，使液态合接真空装置，使液态合金吸入预制体内的一种金吸入预制体内的一种方法。方法。破坏金属液体表面的氧化破坏金属液体表面的氧化层以改善液体与增强颗粒层以改善液体与增强颗粒的浸润性，借助预制体内的浸润性，借助预制体内的毛细管力作用使金属液的毛细管力作用使金属液体引入增强材料间隙。体引入增强材料间隙。自浸透法自浸透法真空吸铸法

5、真空吸铸法2022年3月7日星期一75.1.2 5.1.2 铸造成型铸造成型的技术问题的技术问题 1.1.增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒与金属熔体的润湿性 2.2.增强颗粒分布均匀性增强颗粒分布均匀性 3.3.增强颗粒与基体金属的界面结构增强颗粒与基体金属的界面结构 4.PRMMC 4.PRMMC 的凝固过程的凝固过程2022年3月7日星期一8 增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好地分散，首要的条件是两者增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好地分散，首要的条件是两者必须相互润湿。以铝合金为例，常用的增强颗粒必须相互润湿。以铝合金为例，常用的增强颗粒Al2O3、SiC 与与Al 的润的润湿性都比较

6、差，它们的接触角湿性都比较差，它们的接触角大于大于90o。而有些增强颗粒表面存在的氧。而有些增强颗粒表面存在的氧化物，由于其吸附气体、水分等，使得增强颗粒与金属基体的润湿性变化物，由于其吸附气体、水分等，使得增强颗粒与金属基体的润湿性变得更差。得更差。 1.1.增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘度，热传导率，液体的对流，界面

7、前沿的温度梯度等。度，热传导率，液体的对流，界面前沿的温度梯度等。 对于金属对于金属/ /陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液/ /颗粒系统的界面能大得多，此时界面能的作用占主导地位。颗粒系统的界面能大得多，此时界面能的作用占主导地位。 在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（0.5mm0.5mm）可忽）可忽略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了下图所示的相互作用模型下图所示的相

8、互作用模型 909090, , 颗粒被排斥颗粒被排斥当当PLPLSPSP时，时，9090，颗粒被凝固界面捕捉，颗粒被凝固界面捕捉, ,结合更稳定。结合更稳定。当当PLPLSPSP时，时，9090，颗粒将被凝固界面所排斥，颗粒将被凝固界面所排斥. . SP，PL，SL分别代表固相分别代表固相/颗粒、颗粒颗粒、颗粒/液相、固相液相、固相/液相之间的界面能，液相之间的界面能，三者有如下关系三者有如下关系 :cos()/PLSPSL2022年3月7日星期一101 12 23 34 42022年3月7日星期一11在外加增强颗粒制备在外加增强颗粒制备PRMMC PRMMC 的铸造法中，增强的铸造法中，增强

9、颗粒的密度一般与基体金属相差较大颗粒的密度一般与基体金属相差较大, ,且两者互不且两者互不润湿，因而颗粒在金属基体中容易上浮、下沉及润湿，因而颗粒在金属基体中容易上浮、下沉及偏聚。偏聚。Stokes Stokes 质点上浮速度表达式为：质点上浮速度表达式为：增强颗粒金属液292rgv式中式中:金属液的粘度金属液的粘度, (pa, (pas) s) ； r r 增强颗粒半径，增强颗粒半径，m m； g g 重力加速度，重力加速度，9. 8 (m9. 8 (ms- 2) s- 2) ；密度，密度， (kg(kgm- 3) m- 3) 。2022年3月7日星期一123 3增强颗粒与基体金属的界面结构

10、增强颗粒与基体金属的界面结构1 1增强体与基体互不反应亦互不溶解增强体与基体互不反应亦互不溶解2 2增强体与基体不反应但能互相溶解增强体与基体不反应但能互相溶解3 3增强体与基体互相反应增强体与基体互相反应-界面反应物界面反应物PRMMC 的界面问题一直是本领域研究的重大技术问题。PRMMC 的界面有3 种类型：2022年3月7日星期一134. PRMMC 4. PRMMC 的凝固过程的凝固过程PRMMC PRMMC 的凝固过程由于增强体的存在其温度场和浓度场、的凝固过程由于增强体的存在其温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。在非平衡凝固条晶体生长的热力学和动力学过程都会发

11、生变化。在非平衡凝固条件下件下, , 这些变化均将对这些变化均将对PRMMC PRMMC 的组织和性能产生明显影响。对增的组织和性能产生明显影响。对增强体在凝固过程中常被凝固界面推移到枝晶间和金属最后凝固区强体在凝固过程中常被凝固界面推移到枝晶间和金属最后凝固区域的现象进行研究发现如果热物理参数能满足以下公式域的现象进行研究发现如果热物理参数能满足以下公式: : MMMpppCC式中：式中： M M ,p p 分别为基体和增强颗粒的导热系数（分别为基体和增强颗粒的导热系数（W Wm m- 1- 1-1-1） ； C CM M , C, Cp p 分别为基体和增强颗粒的比热分别为基体和增强颗粒的

12、比热，（J Jkgkg-1-1-1-1） M M ,p p 分别为基体和增强颗粒的密度分别为基体和增强颗粒的密度，(kg(kgm m-3-3) ) 。2022年3月7日星期一145.1.3 5.1.3 PRMMCPRMMC的原位反应合成技术的原位反应合成技术 外加增强颗粒与金属基体复合的方法，不能从根本上解外加增强颗粒与金属基体复合的方法，不能从根本上解决铸造成型法存在的润湿性差的问题。近年来，发展起来的决铸造成型法存在的润湿性差的问题。近年来，发展起来的一种制备一种制备PRMMCPRMMC的新型方法的新型方法原位反应合成法。原位反应原位反应合成法。原位反应合成法的基本原理是在一定条件下，通过

13、元素之间或元素与合成法的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应化合物之间的化学反应, ,在金属基体内原位生成在金属基体内原位生成1 1 种或几种种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。的目的。 2022年3月7日星期一15该工艺具有如下特点：该工艺具有如下特点：(1)(1) 增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力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，界面结合强度高。相容性不良

14、的问题，界面结合强度高。(2)(2) 通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。大小、分布和数量。(3)(3) 省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，工省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，工艺简单，成本较低。艺简单，成本较低。(4)(4) 从液态金属基体中原位生成增强颗粒，可用铸造从液态金属基体中原位生成增强颗粒，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净形构件。方法制备形状复杂、尺寸较大的近净形构件。(5)(5) 在保证材料具有较好的

15、韧性和高温性能的同时，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。可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。2022年3月7日星期一16 图图5-1 Duralcon5-1 Duralcon公司生产的各种铸件公司生产的各种铸件 图图5-2 5-2 真空铸造法制造的连续真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零件纤维增强镁基复合材料零件 图5-1是Duralcon公司生产的各种铸件。对于连续纤维增强金属基复合材料零件的制造也可采用真空吸铸、真空压力铸造的方法。如氧化铝纤维增强镁基复合材料，可选用真空铸造的方法制造。图5-2为真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料

16、零件。2022年3月7日星期一17 表表5-15-1和表和表5-25-2分别列出了铝基复合材料室温和高温的拉伸性能。分别列出了铝基复合材料室温和高温的拉伸性能。5.2 5.2 塑性成形塑性成形5.2.15.2.1铝基复合材料的拉伸塑性铝基复合材料的拉伸塑性复合材料复合材料状态状态体积分数体积分数/%0.2MPabMPa伸长率伸长率%EGPa生产商生产商Al2O3p/6061AlT610%2963387.581Duralcan,AlcanT615%3193595.487Duralcan,AlcanT620%3593792.198Duralcan,AlcanSiCp/6061AlT61040546

17、07.098DWAT6154204205.0105DWAT6204304304.0115DWAAl2O3p/2024AlT6104835173.384Duralcan,AlcanT6154765032.392Duralcan,AlcanT6204835031.0101Duralcan,AlcanSiCp/2024AlT67.840061057100BritishPetroleumT62049063024116BritishPetroleumT6254055603105DWASiCp/7075AlT65115556601295Cospray，AlcanSiCp/7049AlT6155986432

18、90Cospray，AlcanSiCp/7090AlT620665735105DWA表表5-1 5-1 颗粒增强铝基复合材料的力学性能颗粒增强铝基复合材料的力学性能 2022年3月7日星期一18表表5-2 5-2 复合材料与基体合金的高温力学性能复合材料与基体合金的高温力学性能材料材料颗粒颗粒尺寸尺寸m体积体积分数分数%200400bMPa0.2MPa伸长率伸长率%bMPa0.2MPaAlNp/6061Al10.84404223725.075515.96061Al22618914.5292444.3Al2O3p/6061Al20.152032923524.9101437.6Al2O3p/606

19、1Al20.153030021932.0176946.1Al2O3p/6061Al10.4203663122.889664.41 1 压铸态，压铸态，T6T6处理；处理；2 2挤压态，挤压态，T4T4处理。处理。 2022年3月7日星期一195.2.2 5.2.2 金属基复合材料的高温压缩变形金属基复合材料的高温压缩变形 复合材料高温压缩变形的特点存在明显的应变软化现象。复合材料高温压缩变形的特点存在明显的应变软化现象。高温压缩变形的应力一应变曲线上有明显的峰值，即当压缩高温压缩变形的应力一应变曲线上有明显的峰值，即当压缩变形量大到一定程度以后，开始出现应变软化现象。晶须变形量大到一定程度以后

20、，开始出现应变软化现象。晶须/Al/Al复合材料高温压缩变形后，其组织结构的最明显特点是复合材料高温压缩变形后，其组织结构的最明显特点是晶须发生了有序分布，即晶须产生了垂直于压缩方向的定向晶须发生了有序分布，即晶须产生了垂直于压缩方向的定向排列。压缩变形时所表现出的应变软化行为与晶须有序化有排列。压缩变形时所表现出的应变软化行为与晶须有序化有关。即当晶须垂直于压缩方向排列时，晶须所承受的载荷下关。即当晶须垂直于压缩方向排列时，晶须所承受的载荷下降，于是表现出应变软化现象。降，于是表现出应变软化现象。 金属基复合材料的压缩强度可由下式给出：金属基复合材料的压缩强度可由下式给出：2022年3月7日

21、星期一20 式中，（l/d）为晶须的平均临界长径比； i为晶须取向同压缩方向的夹角；m为基体合金的流变应力；Vf为晶须的体积分数。 复合材料的高温压缩变形时，压缩过程中晶须长轴的取向分布函数可以用下式给出： 式中A、B均为应变量的线性函数。并进一步推导出复合材料高温压缩流变应力近似表达式：sin)exp()(CBAf（5-4） mniifmcnVdl12cos)(（5-3） 2022年3月7日星期一21 复合材料拉伸过程中的晶须承受一定的力矩，在该力矩的作用下晶须将发生转动。其晶须转动的表达式为:mmfcddfdlV )(cos2sin)/(202/0（5-5） G4/ )2sin()2sin

22、(75. 0（弹性阶段）（弹性阶段） （塑性阶段）（塑性阶段） （5-6） （5-7） 式中，为晶须转动的角度；为复合材料所受的拉伸应力；为晶须长轴与拉伸方向的夹角；为复合材料的拉伸应变。2022年3月7日星期一22按材料温度分类：按材料温度分类： 热轧热轧 冷轧冷轧按轧机排列方式分类按轧机排列方式分类单机架轧制、单机架轧制、半连续轧制半连续轧制连续轧制连续轧制 轧制是指轧件由摩擦轧制是指轧件由摩擦力拉进在旋转的轧辊间，力拉进在旋转的轧辊间，借助于轧辊施加的压力，借助于轧辊施加的压力，有时伴以热作用，使材有时伴以热作用，使材料发生塑性变形的过程。料发生塑性变形的过程。通过轧制使材料具有一通过轧

23、制使材料具有一定的形状、尺寸和性能。定的形状、尺寸和性能。5.2.3 5.2.3 铝基复合材料的轧制塑性铝基复合材料的轧制塑性2022年3月7日星期一23温度温度表表5-35-3为为25%SiCp/Al25%SiCp/Al复合复合材料经过材料经过16:116:1挤挤压后，经过三道压后，经过三道轧制后的致密度。轧制后的致密度。变形量变形量表表5-45-4为为2525 SiCp/AlSiCp/Al复合材复合材料经过料经过1616：1 1挤挤压后，在预热温压后，在预热温度分别为度分别为350350和和450450进行的进行的不同轧下量轧制不同轧下量轧制后的致密度。后的致密度。预热预热温度温度对挤压比

24、为对挤压比为25:125:1的的1515SiCp/AlSiCp/Al复合材料预热复合材料预热350350和和500500进进行轧制后拉伸强行轧制后拉伸强度分布为度分布为230MPa230MPa和和245MPa245MPa。轧制比轧制比 表表5-55-5为为SiCp/AlSiCp/Al复合材料经过挤复合材料经过挤压比压比25:125:1挤压后，挤压后，在在450450下进行下进行的不同轧下量轧的不同轧下量轧制后的拉伸强度。制后的拉伸强度。表表5-3 5-3 不同温度轧制后不同温度轧制后2525SiCp/AlSiCp/Al复合材料的致密度复合材料的致密度 表表5-4 255-4 25SiCp/Al

25、SiCp/Al复合材料在不同轧下量轧制后的致密度复合材料在不同轧下量轧制后的致密度表表5-5 255-5 25SiCp/AlSiCp/Al复合材料在不同轧下量轧制后的拉伸强度复合材料在不同轧下量轧制后的拉伸强度2022年3月7日星期一245.2.4 5.2.4 铝基复合材料的挤压塑性铝基复合材料的挤压塑性 在诸多塑性成形手段（挤压、轧制、锻造、拉拔等）中在诸多塑性成形手段（挤压、轧制、锻造、拉拔等）中挤压是二次加工最为常用的手段之一，因此挤压是这类复合挤压是二次加工最为常用的手段之一，因此挤压是这类复合材料研究的重点。由于金属基体中含有一定体积分数的增强材料研究的重点。由于金属基体中含有一定体

26、积分数的增强物物( (晶须、颗粒晶须、颗粒) )，大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成，大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成形困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需形困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需进行相应的改进，如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。进行相应的改进，如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。挤压时，影响材料在模具中流动的因素很多，例如挤压方法、挤压时，影响材料在模具中流动的因素很多，例如挤压方法、制品形状和尺寸、合金种类、模具的结构与尺寸、工艺参数、制品形状和尺寸、合金种类、模具的结构与尺寸、工艺参数、润滑条件等。影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时

27、模具润滑条件等。影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时模具及坯料的预热温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂。及坯料的预热温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂。2022年3月7日星期一25（1 1）润滑剂）润滑剂 润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。摩擦力越小则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附摩擦力越小则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附加拉应力就越小。加拉应力就越小。（2 2）挤压温度）挤压温度 最佳挤压温度的选择应考虑以下因素：金属的塑性较最佳挤压温度的选择应考虑以下因素：金属的塑性较好；变形抗力尽可能小；型材具有最高强度；

28、较高劳动生好；变形抗力尽可能小；型材具有最高强度；较高劳动生产率和较低劳动成本。为了保持挤压制品的整体性，在挤产率和较低劳动成本。为了保持挤压制品的整体性，在挤压过程中，塑性变形区的温度必须与压过程中，塑性变形区的温度必须与SiCp/AlSiCp/Al复合材料塑复合材料塑性最好的温度范围相适应。随着复合材料坏料及模具预热性最好的温度范围相适应。随着复合材料坏料及模具预热温度的升高，挤压力显著降低，如表温度的升高，挤压力显著降低，如表5-65-6所示。温度每升所示。温度每升高高5050，最大挤压力降低，最大挤压力降低101020MPa20MPa。2022年3月7日星期一26（3 3）挤压比挤压比

29、 在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压力和变形功都是随变形程度的增加而增大。变形程度可力和变形功都是随变形程度的增加而增大。变形程度可以采用不同的方法来表示，采用比较多的是用断面收缩以采用不同的方法来表示，采用比较多的是用断面收缩率率来表示。来表示。 表表5-6 SiCp/Al5-6 SiCp/Al复合材料不同温度下的最大挤压力复合材料不同温度下的最大挤压力温度温度/350350 400 400 450 450 500 500最大挤压力最大挤压力/MPa/MPa 280 280 265 265 248 248 235 235（4 4）挤压

30、速度）挤压速度 SiCp/A1SiCp/A1复合材料由于复合材料由于SiCSiC颗粒的加入使基体的变形抗力颗粒的加入使基体的变形抗力增加，因此，增加，因此，SiCp/AlSiCp/Al复合材料的挤压力比基体要高，容易复合材料的挤压力比基体要高，容易产生第一类或第二类裂纹而使挤压制品表面发生碎裂，但可产生第一类或第二类裂纹而使挤压制品表面发生碎裂，但可以通过降低挤压速度使过多的热量从高温加工的剪切变形区以通过降低挤压速度使过多的热量从高温加工的剪切变形区扩散出去，使该问题得以解决。但是，如果挤压速度过低，扩散出去，使该问题得以解决。但是，如果挤压速度过低，则又会出现第三类低速撕裂现象。则又会出现

31、第三类低速撕裂现象。式中，式中，为挤压前坯料的横截面积；为挤压前坯料的横截面积；F F1 1为挤压棒材的横截面积。为挤压棒材的横截面积。010 1 0 0FFF （5-8） 2022年3月7日星期一28（5 5）SiCSiC颗粒体积分数颗粒体积分数 图图5-35-3是是SiCp/AlSiCp/Al复合材料经过相同挤压比复合材料经过相同挤压比25:125:1后后SiCSiC颗粒颗粒体积分数对最大挤压力的影响曲线。从图中可以看出，最大挤体积分数对最大挤压力的影响曲线。从图中可以看出，最大挤压力随着压力随着SiCSiC颗粒体积分数的增加而增加。颗粒体积分数的增加而增加。 图图 5 53 3 复合材料

32、中复合材料中SiCSiC颗粒的体积分数对最大挤压力的影响颗粒的体积分数对最大挤压力的影响2022年3月7日星期一29(6)(6)热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响在挤压过程，金属基复合材料的显微组织除了会发生纤维在挤压过程，金属基复合材料的显微组织除了会发生纤维断裂外，在某些情况下还会形成平行于挤压方向的断裂外，在某些情况下还会形成平行于挤压方向的“陶瓷富陶瓷富集带集带”(Ceramic Enriched Bands)(Ceramic Enriched Bands)，如图，如图5-45-4所示。所示。 图图5-4 5-4 挤压形成的颗粒富集

33、带挤压形成的颗粒富集带2022年3月7日星期一305.2.5 5.2.5 金属基复合材料的蠕变性能金属基复合材料的蠕变性能金属基复合材料具有良好的高温性能。金属基复合材料与其基体相比通常具有较高的应力指数、蠕变激活能和蠕变抗力。采用弥散强化合金蠕变引入的门槛应力来解释金属基复合材料高应力指数、蠕变激活能的原因。这样，蠕变方程可表示为：)exp(/ )(0RTQEAcn（5-95-9） 式中，为蠕变速率；A为常数；-0为门槛应力；E为与温度有关的弹性模量；为蠕变激活能；n为真应力指数；R为气体常数；T为绝对温度。 表5-7列出了一些复合材料的蠕变数据。2022年3月7日星期一31表表5-7 5-

34、7 金属基复合材料的蠕变数据金属基复合材料的蠕变数据复合材料复合材料温度温度/K/K应力指数应力指数n n蠕变激活能蠕变激活能/kJ/kJmolmol-1-12020SiCSiCp p/21241Al/21241Al5735737237239.59.54004001515SiCSiCp p/6061Al/6061Al57357318.718.73030SiCSiCp p/6061Al/6061Al3453454054057.47.4270270（30MP30MP）494494（12MP12MP）SiCSiCp p（20m20m）/Al/AlSiCSiCp p（10m10m）/Al/AlSiCS

35、iCp p（3.5m3.5m）/Al/Al57357367367321.321.319.919.921.221.218.318.326.126.124.424.42532532562562612611 1SiSi3 3N N4 4/Al/Al2%Si2%Si3 3N N4 4/Al/Al57357367367316.516.513.413.416.016.015.515.522122125925910%TiC10%TiCp p/Ti-/Ti-6Al-4V6Al-4V20%TiC20%TiCp p/Ti-/Ti-6Al-4V6Al-4V8238239239232.882.882.962.9627

36、42742822822022年3月7日星期一325.2.6 非连续增强金属基复合材料的超塑性金属基复合材料具有优异的综合性能，然而其机械加工性能较差，这限制了其应用和发展。应用近终形（near- net shape)成型技术的关键是超塑性变形。在超塑性变形过程，应变速率通常表达为： npEdbKTDEbA0 （5-10） 式中，为柏氏矢量；D为相关的扩散系数； E为弹性模量；K为波尔兹曼常数；T为绝对测试温度； d为晶粒尺寸；p为晶粒尺寸指数；为流变应力； 0为门槛应力；n为应力指数；A为几何常数。2022年3月7日星期一33又称为转变超塑性或又称为转变超塑性或变态超塑性。是材料变态超塑性。是

37、材料在变动频繁的温度环在变动频繁的温度环境下受应力作用时经境下受应力作用时经多次循环相变或同素多次循环相变或同素异形转变而得到的很异形转变而得到的很大的变形量大的变形量又称细晶超塑性或恒温又称细晶超塑性或恒温超塑性。指材料晶粒通超塑性。指材料晶粒通过细化、超细化和等轴过细化、超细化和等轴化，在变形期间保持稳化，在变形期间保持稳定，在一定变形温度区定，在一定变形温度区间（间（T0.5TmT0.5Tm）和一定）和一定变形速度条件下变形速度条件下( (应变应变速率在速率在10-410-410-110-1之间之间) )所呈现出的超塑性。所呈现出的超塑性。其他超塑性主要包括其他超塑性主要包括短暂超塑性、

38、相变诱短暂超塑性、相变诱发超塑性以及消除应发超塑性以及消除应力退火过程中，应力力退火过程中，应力作用下积蓄在材料内作用下积蓄在材料内能量释放获得的超塑能量释放获得的超塑性性按实现超塑性的条件分类按实现超塑性的条件分类组织组织超塑性超塑性相变相变超塑性超塑性其他其他超塑性超塑性2022年3月7日星期一34超塑性变形过程中组织变化有以下特点超塑性变形过程中组织变化有以下特点: :1 12 23 34 4晶粒形晶粒形状与尺状与尺寸的变寸的变化化晶粒的晶粒的滑动、滑动、转动和转动和换位换位晶粒晶粒折皱折皱带带位错位错5 5空洞空洞2022年3月7日星期一35另一类为沿晶界，特别另一类为沿晶界，特别是相

39、界产生的圆形空洞是相界产生的圆形空洞或或O O形空洞，它们的形形空洞，它们的形状多半接近团或椭圆。状多半接近团或椭圆。这类空洞可以看作是过这类空洞可以看作是过饱和的空位晶界（或相饱和的空位晶界（或相界）汇流、聚集（沉淀）界）汇流、聚集（沉淀）而形成的。而形成的。 一类为产生于三晶一类为产生于三晶粒交界处的楔形空洞粒交界处的楔形空洞或或V V形空洞，这类空洞形空洞，这类空洞是由于应力集中产生是由于应力集中产生的的按照空洞按照空洞形状分类形状分类2022年3月7日星期一36 空洞形核有两种观点：一为复合材料变形前就存在，或者为超塑性变形的晶界滑移过程中，经过一定的应变最后在界面上形成的。Stroh

40、运用Zener的假设（在剪切应力作用下发生晶界滑动时，在三叉晶界处产生裂纹）提出的空洞形核条件如下： LG122（5-11） 式中，为剪切力；为空洞的表面能；L为滑动晶面长度（相当于晶界凸起之间距离或晶界粒子之间距离）；G为剪切模量。 2022年3月7日星期一37在超塑性变形过程中，随着晶界滑移的进行，由于颗粒与基体的弹性模量等物理性能不同，以及硬颗粒对滑移的阻碍作用必将产生界面应力集中，特别对尺寸较大的颗粒，这些界面应力难以释放，因此，颗粒，基体的界面成为空洞优先形核位置。极限颗粒尺寸可由下式表示： 3/1/KTDgb（5-12） 式中，为原子体积；为流变应力；为边界扩散；K为波尔兹曼常数；

41、T为热力学温度；为应变速率。当颗粒尺寸小于时空洞的生成是有限的，反之，将引起明显的空洞生成扩散。2022年3月7日星期一38式中， 为原子体积；gb为晶界宽度；gb晶界扩散系数；r为空洞半径；为表面能; 为流动应力；为热力学温度；为应变速率；为玻尔兹曼常数；为考虑空洞尺寸与间距的系数，其值为：/23/21 2/ln4122rrr（5-14） 式中， 为空洞之间的距离。2022年3月7日星期一39为零应变时的空洞量，空洞生长速率指数即为曲线的斜率。 应变速率敏感指数（m值）是超塑性变形时的一个重要特征量，它受变形速率、变形温度和组织结构等因素的影响。长期以来，为了便于使用一直将应变速率敏感指数作

42、为给定变形条件下的常数。Stowell以不变的应变速率敏感指数为基础提出了空洞受基体塑性变形控制长大的一个模型： 空洞体积分数与应变之间存在指数关系：expovvCC （5-15） vvvfddf/（5-16） 2022年3月7日星期一40PillingPilling给出了给出了v v的计算式为：的计算式为：1 12 23 34 4通过改变材料通过改变材料的成分、组成的成分、组成和组织等内在和组织等内在因素，抑制空因素，抑制空洞的形成与长洞的形成与长大大通过预先热通过预先热处理可获得处理可获得极细的晶粒极细的晶粒度并抑制空度并抑制空洞的形核和洞的形核和长大长大通过变形通过变形后的退火后的退火处

43、理，减处理，减少空洞少空洞通过变形通过变形后的热等后的热等静压压实静压压实使空洞减使空洞减少或根除少或根除svKmmmm31222sinh1（5-17） s=12, 抑制与减少空洞的措施抑制与减少空洞的措施2022年3月7日星期一41式中，0=() B，它与均为材料特性常数，可通过单向拉伸试验确定，它不仅适用于比例加载情况，也适用于非比例加载情况。只要在单向拉伸时确定了材料特性常数o和1，就可确定在任意加载路径下超塑性变形后损失变量值。图5-5为空洞形成示意图。 对超塑性材料而言，下面的方程式就是超塑性变形时材料的损失演变方程： pBemBempBBpemdpBdpBdpBD00001111)

44、exp()exp()()exp(（5-18） 2022年3月7日星期一42图图5-5 5-5 空洞形成示意图空洞形成示意图 表5-8和表5-9分别给出了铝、镁、锌和钛基复合材料超塑变形性能。2022年3月7日星期一43表表5-85-8铝基复合材料的超塑变形性能铝基复合材料的超塑变形性能2022年3月7日星期一44表表5-9 5-9 镁镁 、锌、锌、 钛基复合材料的超塑变形性能钛基复合材料的超塑变形性能2022年3月7日星期一455.35.3连接连接 本节对目前用于MMCs 的各种连接技术进行了系统地总结，这些技术包括熔融焊接(钨和惰性气体焊接、电子和激光束焊接、接触电阻焊接、电容放电焊接、等离

45、子体焊接) 、固相连接（扩散连接、摩擦焊接和磁励电弧对接）、钎焊和胶粘、等离子喷涂连接、快速红外连接, 对各种技术的工艺特点、使用范围、优缺点进行了分析比较。这些方法都可以用于连接MMCs工件，但要使这些带有接头的MMCs工件在实际中应用，还有一些问题需要解决。 2022年3月7日星期一465.3.1 应用于MMCs 的常规连接技术目前在MMCs 的熔融焊接方面的研究工作相对多一些, 这些工作研究结果表明, 各种熔融焊接方法可以用于MMCs , 但是效果不够理想, 特别是对于铝基MMCs , 还存在着一系列的问题需要解决, 主要有:(1)常规的熔融焊接需要在高温下进行,而高温会引起复合材料基体

46、与加强物界面上的化学反应,；(2)常规的熔融焊接加工MMCs，当基体被加热到熔点以上融化时，加强物仍然保持固态，因此熔池粘滞性很高，基体与增强物很难融合，在焊池的冷却过程中会发生加强物的剥离；(3)如果MMCs采用粉末冶金法制造，闭塞在材料里的气体会在焊池凝固时冲出，导致大量的气孔在焊池和热影响区(HAZ) 形成。 图5-6为Duralcon公司用氩弧焊接SiCp/Al复合材料传动轴的照片，以及焊成的自行车架。 2022年3月7日星期一47图图5-6 Duralcon5-6 Duralcon公司氩弧焊接的公司氩弧焊接的SiCp/AlSiCp/Al复合材料传动轴（复合材料传动轴（a a）以及自行

47、车架）以及自行车架(b)(b)2022年3月7日星期一48TIGTIG法是在惰性气体保护法是在惰性气体保护下，钨电极和焊接工件间下，钨电极和焊接工件间产生电弧使工件局部熔化产生电弧使工件局部熔化连接在一起连接在一起, , 必要时可添必要时可添加焊料。加焊料。1 1 钨极惰气保护焊接钨极惰气保护焊接(TIG(TIG） MIGMIG法是把小直径电极丝法是把小直径电极丝放在焊接工件处放在焊接工件处, ,电极丝电极丝与工件之间产生电弧使工与工件之间产生电弧使工件熔化件熔化, , 为了保护熔融的为了保护熔融的高温材料高温材料, , 需在电极丝需在电极丝周围通入惰性气体。周围通入惰性气体。2 2 金属极惰

48、气保护焊接金属极惰气保护焊接(MIG)(MIG)EBW EBW 是在真空条件下是在真空条件下, , 将将阴极发生的电子束通过正阴极发生的电子束通过正电压加速然后用磁透镜聚电压加速然后用磁透镜聚焦在工件表面焦在工件表面, , 电子束撞电子束撞击焊接材料表面产生热量击焊接材料表面产生热量使工件熔融焊接在一起。使工件熔融焊接在一起。3 3 电子束焊接电子束焊接(EBW)(EBW)采用光学透镜聚焦采用光学透镜聚焦, , 高高能量密度的激光束与工能量密度的激光束与工件表面相互作用产生耦件表面相互作用产生耦合效应使合效应使MMCs MMCs 熔融焊熔融焊接在一起。接在一起。4 4 激光束焊接激光束焊接(L

49、BW)(LBW)接触电阻法是利用焊接材接触电阻法是利用焊接材料之间的电阻料之间的电阻, , 通入外接通入外接电流产生热量完成电流产生热量完成MMCs MMCs 的焊接。的焊接。5 5 接触电阻焊接接触电阻焊接电容放电焊接是把存在大电容放电焊接是把存在大容量电容中的电能快速释容量电容中的电能快速释放出来熔融工件使其焊接。放出来熔融工件使其焊接。6 6 电容放电焊接电容放电焊接等离子体焊接是把等离子等离子体焊接是把等离子气体通在钨电极周围形成气体通在钨电极周围形成等离子电弧熔化等离子电弧熔化MMCs MMCs 使使其焊接在一起其焊接在一起, , 焊接时也焊接时也需通入保护气体。需通入保护气体。熔融

50、焊接主熔融焊接主要有以下要有以下几类：几类：6 6 电容放电焊接电容放电焊接7 7 等离子体焊接等离子体焊接2022年3月7日星期一491 .1 .扩散连接扩散连接扩散粘结主要指固相扩散连接(SSDB) 和过渡液相连接( TL PDB) 两种方法。SSDB 方法是在连接工件上加一个小载荷, 然后在保护气氛下或真空中升温使工件发生微变形并连接在一起。 TL PDB 是将一个金属薄片置于连接工件间，对于铝基MMCs一般用铜、锌和银箔, 加热工件至铜(锌、银)、铝的共晶温度形成共晶, 使MMCs 粘结在一起。5.3.1.2 5.3.1.2 固相连接固相连接2022年3月7日星期一502 2 摩擦焊接

51、摩擦焊接 摩擦焊接是通过两个工件相对摩擦产生热量使工件结合。一般是一个工件固定在轴上, 另一个绕其旋转, 经过一段时间后, 停止旋转并加载使工件接合在一起。3 3 磁励电弧对焊磁励电弧对焊(MIAB) (MIAB) MIAB 焊接是电弧在放射性磁场作用下绕管形工件的端部快速转动, 产生热量使工件连接, 接头再经过锻造完成焊接。焊接时需在管形工件内通入氩或Ar-5H2 保护气体。MIAB 法用于加工直径25mm、壁厚2 mm 的2124-T4/25SiCp 复合材料管材时, 效果较为理想, 但没有机械性能方面的测试数据。2022年3月7日星期一515.3.1.3 5.3.1.3 钎焊钎焊 钎焊与

52、熔融焊接不同, 它不必熔化MMCs 的基体材料, 因此不存在基体与加强物的反应, 加强物的破坏大大减少。用钎焊方法焊接MMCs 时焊料的选择和温度的控制很重要, 如钎焊6061/ 50B 时采用Al2Si 焊料, 会有Si 析出在晶界上, 导致工作切向强度降低, 而采用Al2CuZn 焊料(熔点380) 不会发生这个问题。5.3.1.4 5.3.1.4 胶粘胶粘 胶粘是目前人们较为关注的MMCs 连接方法, 连接过程中MMCs 不承受外加热循环, 但连接前需进行表面预处理。胶粘的效果与粘结剂、表面预处理方法密切相关, 粘结剂主要有环氧树脂(epoxy) 和聚丙烯(acrylic) , 表面热处

53、理方法包括表面刻划、阳极氧化、表面磷酸处理等。2022年3月7日星期一525.3.2 5.3.2 各种常规各种常规MMCsMMCs连接技术的特点与比较连接技术的特点与比较 熔融焊接的缺点是加强物与基体间发生化学反应, 焊池粘滞性高, 在凝固过程中发生加强物颗粒剥离, 这些问题可以通过控制热循环速度和热量输入来解决。另一方面, 也可以通过添加焊料把合金化元素加入到焊池中来解决, 。 固相连接尤其是摩擦焊接在MMCs的焊接方面具有很大潜力, 由于是低温操作, 界面反应被抑制, 熔融焊池的粘滞性降低, 但在产生摩擦过程中需要移动工件, 摩擦产生的热量会引起表面加强颗粒或加强纤维的破碎。扩散连接法用于

54、MMCs 效果也较好, 但在两连接工件间需添加中间层。与熔融焊接方法相比, 固相连接更适合于MMCs。 钎焊法的优点是不破坏MMCs 材料, 接头强度可达到焊接基底材料的80 %90 % , 应该再度得到人们的注意。 胶粘法的特点是不需要在MMCs 上外加热循环, 可在室温条件下操作, 但关于该方法的研究十分有限, 尚需进一步的工作, 重点在优化表面处理方法以延长接头的寿命。 各种常规MMCs 连接技术的优点和缺点具体见表5-11。2022年3月7日星期一53表表5-11 常规常规MMCs连接技术及其优点和缺点连接技术及其优点和缺点工艺方法优点缺点熔融焊接钨极惰气保护焊接在焊接时可使用金属焊料

55、以减少Al/SiC 复合材料中Al3C4的产生, 增加Al/SiC 复合材料中加强粒子的湿润性在Al/SiC 复合材料中会产生Al3C4 ,当使用金属焊料时焊接强度降低金属惰气保护焊接在焊接时可使用金属焊料以减少Al/SiC 复合材料中Al3C4的产生, 增加Al/SiC 复合材料中加强粒子的湿润性在Al/SiC 复合材料中会产生Al3C4 ,当使用金属焊料时焊接强度降低电子束焊接在真空环境中可高速焊接在Al/SiC 复合材料中会产生Al3C4 ,焊接需要在真空环境下进行激光束焊接不需要真空环境即可高速焊接在Al/SiC 复合材料中会产生Al3C4 ,焊接需要有保护气体接触电阻焊接可高速焊接有

56、可能产生加强颗粒偏析,对焊接工件的几何形状有限制固相连接扩散连接为了提高连接性能可使用中间层不发生颗粒2基体间反应过量扩散会导致连接性能下降过渡液相扩散连接为了提高连接性能可使用中间层,不发生颗粒-基体间反应有可能形成有害的金属间化合物;工作效率低; 价格昂贵摩擦焊接不发生颗粒-基体间反应; 在热处理后可达到很高的连接强度; 适于连接两种不同的材料需去除毛刺磁励电弧对头焊接适于连接管形工件只能焊接限定形状的工件; 焊接后需对焊接部位进行处理(内部和外部)钎焊可用于连接两种不同的材料焊接需要惰性气体或真空环境胶粘连接加工时所需温度相对较低为获得较高强度需表面预处理2022年3月7日星期一545.

57、3.3 5.3.3 新型新型MMCs MMCs 连接技术连接技术5.3.3.1 等离子喷涂法 等离子喷涂技术是一种非常适于MMCs连接的新技术，喷涂过程热输入非常小，焊接基底材料不发生熔化,因此, 接缝处几乎没有脆性Al3C4 相、孔洞以及HAZ 区的形成, 如果选择合适的喷涂粉末、在适当的工艺条件下, 接缝处的机械性能可达到与焊接的基底复合材料接近的水平。等离子喷涂技术的工艺过程示意图见图5-7。2022年3月7日星期一551.喷涂前的预热处理和喷涂后的加强处理 喷涂连接MMCs 接头的拉伸强度测试表明,焊接基底材料的预热处理十分必要, 它可以防止热喷涂后材料迅速冷却, 降低基底与热喷涂材料

58、之间热胀冷缩的差别, 降低焊接基底材料的湿度, 防止熔融的喷涂金属颗粒与基底材料牢固粘结。 图图5-7MMCs 的等离子喷涂连接工艺示意图的等离子喷涂连接工艺示意图 2022年3月7日星期一562.喷涂参数与喷涂粉末的选择 喷涂参数主要包括喷涂距离、喷涂坡口角度、喷涂枪的移动速度等, 研究表明: 喷涂距离及坡口角度对于喷涂接头的强度影响较大, 见图5-8、5-9。坡口角度越大, 接头的粘结强度越大, 原因在于随坡口角度增大, 颗粒撞击力增大, 从而沉积涂层的孔洞数量减少, 一般坡口角度选择130, 喷涂距离选择95 mm。 2022年3月7日星期一57图图5-8坡口角度对等离子喷涂接头坡口角度

59、对等离子喷涂接头UTS 的影响的影响喷涂粉末喷涂粉末: 热处理热处理2014Al/15%SiCp Osprey 粉末粉末基底基底: 6061Al/ SiCp ; 预热温度预热温度: 200 喷涂距离喷涂距离: 95 mm 图图5-9喷涂距离对等离子喷涂接头喷涂距离对等离子喷涂接头UTS 的影响的影响 喷涂粉末喷涂粉末: 热处理热处理2014Al/ 15 %SiCp Osprey 粉末粉末 基底基底: 6061Al/ SiCp ; 预热温度预热温度: 200 ; 喷涂距离喷涂距离: 95 mm 2022年3月7日星期一585.3.3.2 5.3.3.2 快速红外连接法快速红外连接法(RIJ )(

60、RIJ )快速红外连接法可用于钛基复合材料SCS-6121S , 21S是Ti-15Mo-2. 7Nb-3Al-0. 25Si %, 加强纤维为147m的SiCf , 表面有厚度为3m 的富碳涂层。焊料是厚度为17m 的METGLAS 钎焊箔5003 , 成分为Ti-15Cu-15Ni %。首先将放置好焊料的钛基MMCs样品置入红外炉中, 通过碳螺丝固定。连接过程不需要附加压力, 加工温度通过接头处的镍铬2镍铝合金热电偶控制, 在热循环之前以及整个加工过程中均需通入氩气至加热室防止氧化, 达到预定加热温度需要2030 s , 加热温度在1100 , 加热时间为530 s , 连接后样品快速冷却