金属基复合材料

1、1.第六章金属基复合材料；2.第一节金属基复合材料的种类和基本性能随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料的要求越来越高。就结构材料而言，不仅要求高强度，而且要求重量轻，特别是在航空航天领域。金属基复合材料就是为了满足上述要求而诞生的。与传统金属材料相比，金属基复合材料具有更高的比强度和刚度；与树脂基复合材料相比，它具有优异的导电性和耐热性。与陶瓷基材料相比，它具有高韧性和高冲击性能。金属基复合材料的这些优异性能决定了它自诞生以来就已经成为新材料家族的重要成员，并且已经在一些领域得到了应用，其应用领域也在逐步扩大。金属基复合材料的类型金属基复合材料是由金属作为基体和高强度第二相作为增强体制成的复

2、合材料。因此，这种材料可以根据基体和增强体来分类。根据基体分类(1)铝基复合材料(2)镍基复合材料树(3)钛基复合材料，7，(1)铝基复合材料，这是应用最广泛的金属基复合材料之一。由于铝基体为面心立方结构，具有良好的塑性和韧性，其易加工、工程可靠、价格低廉的优点为其工程应用创造了有利条件。在铝基复合材料的制造中，通常使用各种铝合金来代替纯铝。这主要是由于铝合金比纯铝具有更好的综合性能。至于选择哪种铝合金作为基体，是根据复合材料的实际性能需要来决定的。镍基复合材料这种复合材料是以镍和镍合金为基体制成的。由于镍优良的高温性能，这种复合材料主要用于制造在高温下工作的零件。发展镍基复合材料的一个重要目

3、的是将其用于制造燃气轮机叶片，从而进一步提高燃气轮机的工作温度。然而，由于制造技术和可靠性的未解决问题，还没有取得令人满意的结果。钛基复合材料钛比任何其他结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温下比铝合金更能保持其强度。因此，当速度从亚音速增加到超音速时，钛显示出比铝合金更多的优点。13、随着速度的进一步加速，有必要改变飞机的结构设计，而采用更细长的飞机和其他飞机类型。因此，需要高刚度的材料，而纤维增强钛正好可以满足材料刚度的要求。14、基体和钢筋的热膨胀系数。钛基复合材料中最常用的增强材料是硼纤维，这是由于钛和硼的热膨胀系数相近，如下表所示。按增强分类(1)颗粒增强复合材料(2)层压复合材料

4、(3)纤维增强复合材料(16)颗粒增强复合材料这里，颗粒增强复合材料是指分散的硬增强相的体积超过20的复合材料，不包括具有非常低的分散颗粒体积比的分散增强金属。此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距非常大，通常大于1um。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用是传递载荷和促进加工。虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但基体性能也非常重要。此外，这种材料的性质对界面性质和颗粒排列的几何形状很敏感。层压复合材料这种复合材料是指包含具有高强度和高模量的层压增强体的复合材料，所述增强体以良好的韧性和可成形性重复排列在金属基体材料中。20，层状复合材料的强度接近于

5、大尺寸增强体的性能，但与晶须或纤维小尺寸增强体的性能有很大不同。因为加固片在二维方向上的尺寸等于结构的尺寸，所以加固中的缺陷会成为与结构长度相同的裂缝的核心。21，因为片材增强体的强度不如纤维增强体的强度高，所以层压复合材料的强度受到限制。然而，在增强平面的各个方向上，片材增强可以提高强度和模量，这与单向纤维增强复合材料相比具有明显的优势。纤维增强复合材料金属基复合材料中的纤维根据长度不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们都属于一维增强体。因此，纤维增强复合材料均表现出明显的各向异性特征。当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维在提高复合材料的弹

6、性模量方面起着相当大的作用。24，2。金属基复合材料中增强体的性能。尽管各种复合材料中的增强材料不同，但它们都有许多共同之处。因为纤维增强能最有效地增强金属基体，所以这里将着重讨论。25，对纤维增强材料性能的要求如下：(a)高强度。纤维的高强度首先是为了满足复合材料强度的需要，其次，它可以使整个制造过程变得简单。26，(乙)高模量。对于金属基复合材料，这一特性非常重要，因为当纤维被加载时，基体不会有大的塑性流动。易于制造且价格低廉。如果应用于重要的结构，这个条件对于工业生产是非常必要的。27，(D)具有良好的化学稳定性。对于所有纤维来说，在空气中的稳定性和基质材料的稳定性是非常重要的。28，(

7、E)纤维的大小和形状。大直径圆形纤维更适合于固态法制备金属基复合材料。由于纤维的表面积小，化学反应小，这些纤维很容易通过金属基体的塑性流动与基体结合。(29)特性的再现性和一致性。对于脆性材料或高强度材料，这一要求非常重要。因为复合材料的强度取决于纤维的束强度，所以束强度与每根纤维的强度有关。因此，有必要使每根纤维的强度保持一致。30、(G)抗损坏或磨损。脆性纤维对湿暴露或表面磨损特别敏感，这对一般复合工艺有不利影响。31岁。一些增强纤维的典型特性。下表列出了一些重要的增强纤维及其性能。32.从表中可以看出，高强度细丝如“火箭丝”(钢丝)和钨丝由于其高强度而成为特别有用的增强材料。玻璃纤维和玻

8、璃纤维具有优异的比强度和较低的成本，因此它们可以说是树脂基体中最重要的增强纤维。然而，这些纤维很少用于增强金属，因为它们的模量低，化学性质活泼。氧化铝纤维是通过从熔体中拉出亚晶体来生产的。这种单晶纤维的典型直径为250微米，并且具有高强度。然而，氧化铝纤维对磨损敏感，而且价格昂贵。35岁。硼纤维用于增强铝合金和镁合金时，具有良好的综合性能。用三氯化硼气体进行化学气相沉积可以获得硼纤维，硼沉积在1200的钨底丝上。钨被用作底丝，主要是因为它具有良好的再现性、高强度、低价格和高化学纯度，但有时碳单丝和其他金属丝也被用作底丝。硼纤维具有一系列突出的优点，如比模量和强度高，与固体铝和液体镁化学相容性好

9、，直径大，重现性好，价格合适。38，B4C纤维和碳化硅纤维已经在实验室规模上生产。这种纤维的生产方法与硼纤维非常相似，也是通过在钨或碳基底上化学气相沉积来生产的。这些沉积物都是晶体，对表面磨损非常敏感。39、B4C和碳化硅纤维的晶体结构比硼纤维具有更好的抗蠕变性能，因此这些纤维主要用作高温增强材料。40、石墨纤维弹性模量通常与高温下的石墨化程度有关，一般可达240250GPa。然而，由于这种纤维和熔融金属之间的反应，复合材料的加工尺寸受到限制，并且其作为金属基体增强的应用受到限制。金属基复合材料的强度由于大多数金属基复合材料表现出各向异性，所以各个方向的强度都不相同。以纤维增强金属基复合材料为

10、例，说明了纵向强度和横向强度的区别。纵向强度材料的强度和弹性性质不同，不能代表整个试验截面的平均性质，但主要代表局部区域的性质。43，材料强度可以定义为材料失效的最弱截面上的平均应力。一般来说，材料强度是指原始横截面上的应力，而不是瞬时断裂面积上的应力。44、在静态拉应力条件下，当判断抗拉强度时，是根据原始截面计算出的材料试样所能承受的最大拉应力或极限拉应力。对于高模量金属基复合材料的断裂，载荷不断增加，纤维不断断裂，承载能力不断下降，导致材料的破坏。45，复合材料的强度和部件性能之间的关系可以用下面的公式来表示：其中C*代表复合材料的抗拉强度，即复合材料原始区域上的应力；f是所有纤维上的平均

11、应力；m是断裂时基体的平均应力；VF和VM是纤维和基质的体积分数。46，如果没有孔隙和第三相，应该是，如果所有纤维的强度相似，而剩余的基体不能承受纤维断裂时的载荷，那么F等于纤维的平均强度，而M可以认为是当基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力。47，McDaniels等人研究了钨丝铜基复合材料系统，并绘制了复合材料强度与纤维体积比的函数关系，如下图所示。48，高强度脆性纤维和韧性基体的强度混合规则，49。从图中可以看出，以下公式仅在纤维体积比大于临界纤维体积比VF*时适用。如果纤维体积比相对较低，在所有纤维断裂后，基体仍能承受载荷，这与上述假设不一致。50，上述公式应使用纤维的有效强度，因为脆

12、性纤维的抗拉强度范围相当大，所以有效强度值不能简单测量。51，尽管当纤维强度相似时可以使用纤维的平均强度，但是对于像硼这样的脆性纤维，纤维的平均强度不能很好地预测复合材料的拉伸强度。52，当弱纤维断裂时，它引起三个重要的变化。(a)由于断裂的纤维失去其强度，该处横截面的强度降低。断裂纤维裂纹周围的静态应力集中将降低材料的有效强度。(3)断裂纤维失去载荷时产生的动态应力波将冲击复合材料，从而降低横向平面上的瞬时承载能力。第一个变化也与基质中纤维的临界载荷传递长度有关。在纤维断裂的位置，材料的强度损失，因为断裂的纤维失去其承载能力。54，在临界载荷传递长度以下的纤维部分上，纤维承载能力的降低等于通

13、过基体剪切应力传递回断裂纤维部分的载荷之差。55，如果载荷传递长度是无限的，在确定纤维强度时，测试一束纤维或每根纤维的抗拉强度，然后计算这组纤维能承受的最大载荷。56，断裂纤维端部周围的应力集中效应也将降低复合材料的有效强度。复合材料的一个重要特性是，当裂纹在垂直于外部拉伸载荷的方向上扩展时，它将被纤维基体界面阻挡。因为基体中裂纹尖端的最大应力值接近基体的抗拉强度，低于纤维的断裂应力。例如，在硼-铝复合材料中，裂纹尖端应力在铝中的扩展可以达到350兆帕，而局部应力在铝中的扩展可以达到350兆帕，58，裂纹钝化，(a)界面开裂，(b)基体剪切变形和开裂，(a)、(b)，59，而在氧化铝-钛合金体

14、系中，纤维与基体的强度比接近2:1，此时裂纹尖端的应力集中将严重脆化复合材料并降低其强度。虽然裂纹尖端本身不会严重削弱硼铝复合材料，但局部应力集中严重。60，在纤维断裂位置，断裂纤维的两端由于被束缚而在基体中产生剪切应力。由于基体不能承受断裂纤维的高载荷，这些剪切力主要由最近的纤维承受。如果最近的光纤没有损坏，则不会有局部应力传递到较远的光纤。61，附着在未断裂纤维上的局部拉伸应力将导致不稳定的裂纹扩展，因为下一根相邻纤维的断裂将甚至产生更大的剪切阻力；下图显示了二维阻塞力。62，二维裂纹扩展箭头表示光纤63上的剪切应力。如果这些力均匀分布在最近的六根纤维上，并且平均纤维应力为2.8兆帕，当纤

15、维断裂时，施加到相邻纤维上的局部附加拉伸应力为2.8兆帕，或者每个相邻纤维上的附加拉伸应力为0.45兆帕，64，纤维断裂处的附加应力值最大，并且当离断裂端的距离等于临界剪切传递长度时，附加应力减小到零。65，当弱纤维断裂时，复合材料应力状态的第三个变化与产生的冲击波有关。金属基复合材料的断裂通常通过声发射来检测。动态载荷断裂能主要被试样吸收，但没有定量研究其对复合材料拉伸强度的影响。总之，部件性能和复合材料强度之间的关系比弹性模量更复杂，因为强度与局部材料有关，而不是整个材料的平均常数。虽然纤维的有效强度对于复合材料是可以预测的，但是复合材料的强度可以通过混合规则来计算。然而，对于含有脆性增强

16、纤维的复合材料，这种计算并不十分精确。67，2横向强度金属基复合材料的横向性能预测比纵向性能预测复杂。它通常采用一些假设。在预测横向模量值时，所采用的假设如下：(1)在达到断裂应力之前，两个分量都是线弹性的；(2)界面结合完好；(3)纤维排列规则。69岁。根据这些假设，材料的横向刚度E22和复合材料在横向平面上的泊松比可以推导如下：具有正方形纤维排列的复合材料的横向模量与基体模量之比是纤维体积比和纤维模量与基体模量的函数。71，具有方形排列的圆形纤维的复合材料的标准化横向刚度，72。上图显示金属基体中的增强纤维对横向模量有很大影响。例如，60硼-铝复合材料的横向模量接近基体的三倍。73，这种横

17、向模量的提高不能代表复合材料的横向强度，因为复合材料都在最弱的截面处失效。此外，由于基体被纤维严重结合，复合材料的断裂应变远小于未结合的基体材料。因为复合材料包含两个或多个相，为了使组分具有良好的协调性，这两个相必须具有物理相容性和化学相容性。对于金属基复合材料，用薄板或纤维增强的金属基复合材料的物理相容性通常与材料常数有关，该常数反映了压力变化或热变化时材料的膨胀和收缩特性。化学相容性主要与复合材料加工过程中的界面结合、界面化学反应和环境化学反应有关。所谓的物理相容性问题是指基体应具有足够的韧性和强度，以便外部结构载荷可以均匀地传递到钢筋上而没有明显的不连续性。基体和增强体之间非常重要的物理关系是热膨胀系数。因为基质通常是一种材料78，对于脆性材料的增强，通常有利的是压缩强度大于拉伸强度，并且处于压缩状态。然而，对于具有高屈服强度的基材如钛，通常需要避免高残余热