10第五章(1)金属基复合材料.ppt

1、1,1.1 金属基复合材料的分类 1.2 金属基体材料 1.3 金属基复合材料的性能特点,1 金属基复合材料概论（2学时）,2,1.1 金属基复合材料的分类 金属基复合材料：金属或者合金 基体 高性能 增强体 分 类：种类繁多，主要有三种分类方式。,3,（1）按增强体类型分类 颗粒、纤维、片层 等增强的金属基复合材料 （2）按基体类型分类 铝基复合材料：铝及其合金为基体，应用最广 钛基复合材料：钛及其合金为基体，高温强度保持好 镁基复合材料：镁及其合金为基体，比性能好 镍基复合材料：镍及其合金为基体，优良高温性能 （3）按用途分类 结构复合材料：用作承力构件，强调 材料力学性能 功能复合材料：

2、强调物理性能（电、磁、声、热、光）,4,1.2 金属基体材料 1.2.1 铝及铝合金 纯 铝：银白色，2.72g/cm3，熔点、强度低 导电导热性能优异， 制造电线、电缆 铝合金：密度 2.52.88g/cm3，较好机械性能 常用作工程结构材料 合金元素Si、Cu、Mg、Zn、Mn,5,图5.1 铝合金相图,根据相图铝合金可分为： 铸造铝合金：共晶组织 液态流动性好 适于铸造 形变铝合金：单相固溶体组织 塑性高 适于压力加工,6,表5.1 形变铝合金的分类及性能特点,7,8,1.2.2 钛及钛合金 纯钛： 银白色，熔点1668，相对密度为4.5g/cm3， 比强度高，热膨胀系数较小，弹性模量较

3、低 882.5以下为-Ti，以上-Ti 耐硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠溶液、湿气、海水 钛合金： 强度、韧性及塑性好，高温抗氧化较强，热强性好 室温强度较低，不能进行热处理强化 钛合金： 良好的塑性但很少应用 （比重较大，耐热性差及抗氧化性能低） a+钛合金：兼有两者优点，耐热性和塑性都比较好 可进行热处理强化（Ti-6Al-4V）,9,1000,10,1.2.3 镁及镁合金 纯 镁： 工业用金属中最轻（1.74 g/cm3） 合金比强度很高 塑性变形能力差（六方晶系，滑移系统少） 弹性模量小（有较大变形，可制造冲击零件） 力学性能较差（不易用作结构材料） 耐化学腐蚀能力差（表面氧化膜脆而不够致

4、密）,11,1.2.4 性能比较 表5.3 常用金属基体材料的性能比较,12,1.3 金属基复合材料的性能特点 1.3.1 一般性能特点 （1）高的比强度、比刚度 纤维增强：比强度、比模量明显高于金属基体 颗粒增强：比强度无明显增加，但比模量明显提高,13,表5.4 金属基复合材料的力学性能一览表,14,（2）高的韧性和冲击性能 相对聚合物、陶瓷基复合材料而言， 金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能 ！ 原因：金属基体属于典型韧性材料，受到冲击时能通过塑性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小应力集中而改善韧性,15,硼/铝裂纹扩展 1）裂纹尖端最大应力可达350MPa，接近基体拉伸强度 2）纤

5、维局部强度接近4.2GPa 3）裂纹垂直于外载荷方向扩展时，受到纤维/基体界面阻滞 4）裂纹在界面扩展钝化（吸收能量） 5）裂纹因基体塑性剪切变形而钝化（吸收能量）,16,图5.2 金属基复合材料中裂纹的钝化,17,（3）良好的高温性能 金属基体高温性能较之聚合物高很多；增强体多为高温性能良好的无机材料。 （4）导热、导电性能好 金属基体具有良好导热、导电性能,18,（5）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 金属基体能通过塑性变形来接受能量，或使裂纹钝化。 （晶须、颗粒增强复合材料常用做工程中的耐磨部件使用） （6）热膨胀系数小、尺寸稳定性好 硼/钛、石墨/镁、碳/铝等经设计后热膨胀系数可非常小,

6、19,1.3.2 纤维增强金属基复合材料的性能 （1）强度和模量 纵向性能主要取决于纤维性能和体积比； 横向性能与基体性能关系很大； 高温性能同时与材料界面结合和稳定性有密切关系。,20,（2）冲击性能 室温冲击性能：大直径纤维有益（相同纤维体积分数） 高温冲击性能：比室温有较大提高（高温时基体韧性好） 热处理对冲击性能的影响：明显降低（界面变得不稳定）,21,（3）蠕变性能 蠕变概念：恒定负载 下产生的 与时间有关的 形变 蠕变使构件尺寸变化并可能构成对材料的破坏 蠕变分类：温度不同，蠕变曲线有较大的区别 温度较低时a曲线，温度较高时b曲线，温度更高时c曲线 一般称a曲线和b曲线为稳态蠕变,

7、22,图5.3 金属材料的蠕变曲线示意图,温度较低时（a曲线），1为瞬时应变，随时间延长趋于一定值2； 温 较 高 时（b曲线），快速增加、稳定增加、快速增加三个阶段； 温度更高时（ c曲线），稳态蠕变更短，加速阶段很快到来,23,b曲线稳态蠕变中，蠕变速率与应力和温度有关： = A n exp (- Q / RT) （阿累尼乌斯方程） 上式中，A、n：为材料常数 ：所受应力 Q：自扩散激活能 R：气体常数 T ：温度 蠕变产生的原因？高温的作用？,24,纤维增强金属基复合材料抗蠕变性能： 1）当基体和增强体熔点接近时，二者均会发生高温蠕变 2）脆性纤维增强时蠕变曲线类似于a曲线 3）B、Si

8、C纤维复合材料抗蠕变性能优与基体合金,25,（4）疲劳性能 疲劳断裂： 循环应力(小于断裂应力)作用下的突然断裂 SN曲线：应力极大值S（或）对循环次数N的对数图 疲劳极限： 规定循环次数为107时产生疲劳断裂所需应力,26,纤维增强金属基复合材料疲劳性能： 1）与拉伸强度比值达0.6 0.7，约为基体2倍！ 2）随加入纤维强度及体积含量增高而增大 （轴向有最大值，径向只有少量提高）,27,复合材料疲劳产生（与疲劳裂纹产生有关） 1）当纤维与基体强度比值高时，纤维/基体界面起裂， 成为影响疲劳寿命的主要原因； 2）当纤维与基体强度比值低，裂纹扩展速率影响疲劳寿命， 而且裂纹将穿越纤维，造成较低

9、的疲劳性能。,28,高温对纤维/金属基复合材料疲劳性能影响：有所下降（纤维性能退化、界面脱粘、基体脆性增加） 其它影响因素：纤维分布、表面缺陷、界面结合 弱的纤维/基体界面结合有时也会改善材料疲劳性能 （可形成二次裂纹或改变其方向，能延缓疲劳裂纹扩展）,29,1.3.3 颗粒、晶须增强金属基复合材料的性能 （1）强度和模量 强度：与颗粒在基体中分布的平均间距Dp有关 （Dp越小，屈服强度越高） 模量：与颗粒形状有关 （长径比值增大，对混合定律偏差减小）,30,（2）断裂韧性 影响因素：颗粒大小、颗粒及晶须取向 等 随着直径d增加、体积含量减少，复合材料断裂韧性增加 PRMMC的断裂韧性一般要优

10、于WRMMC （晶须前沿会造成应力集中，容易引发裂纹）,31,（3）蠕变性能 1）颗粒及晶须增强金属基复合材料蠕变行为与纤维增强相当 2）颗粒与晶须增强金属基复合材料要比基体蠕变强度更高 3）与颗粒增强相比，晶须增强时蠕变速率更低,32,（4）疲劳性能 1）颗粒及晶须增强后疲劳强度、疲劳寿命比基体金属高 2）颗粒增强与晶须增强时复合材料疲劳性能基本接近,33,晶须增强时疲劳裂纹萌生位置： 1）晶须端部或与基体的界面处 2）晶须密集处及显微缺陷处 晶须增强时内应力形成： 1）界面有较大内应力（晶须与基体强度和变形能力不同） 2）晶须密集处或基体中显微缺陷处存在较大内应力,34,3 铝基复合材料

11、3.1颗粒（晶须）增强铝基复合材料 （1）增强颗粒（晶须） 增强颗粒（晶须）：碳化硅、氧化铝、 碳化硼、氧化硅、碳化钛 增强体性能特点：高强度、高模量、 高热稳定性和化学稳定性,35,（2）制备方法 固态法：粉末冶金法、热等静压法、挤压法 液态法：压力铸造法、压力浸渍法、搅拌法、喷射法 （铝熔点低，液态法较常用） 优点：制造方法简单、增强体价格低廉，应用前景广阔,36,（3）性能特点 SiCp/Al、SiCw/Al具有良好的力学性能和耐磨性能 强度&模量：比基体高 (增强相体积分数增大，性能提高) 一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高 热膨胀系数：低于基体材料 增强相体积分数增加则减小,3

12、7,断裂韧性：较之铝合金 下降很多（脆性碳化硅颗粒） 耐磨性：较之铝合金耐磨性增加很多（脆性碳化硅颗粒） 耐磨性甚至比铸铁还高 常用作汽车刹车片,38,表5.5 材料耐磨性比较,39,3.2 纤维增强铝基复合材料 （1）分类及制备方法 纤维分类：长纤维、短纤维（前者增强性能一般优于后者） 制备方法：固态法（热压法、热等静压法） 液态法（压力铸造法、浸渍法）,40,（2）长纤维增强铝基复合材料 硼、碳、碳化硅、氧化铝等纤维和不锈钢丝 a）硼纤维/铝基复合材料（Bf/Al） 硼 纤 维：钨、碳芯粗纤维（100140微米）（CVD） 性能改进：增强后基体合金性能有很大提高 （特别是高温性能有很大提高

13、） Bf/Al性能受纤维直径、方向、铺排方式影响很大,41,室温纵向拉伸强度和模量：比基体合金高 随增强体体积分数增大而有很大提高 高温纵向拉伸强度和模量：随温度升高而下降 下降不剧烈（500度保持一半强度，500MPa） 热膨胀系数：取决于纤维热膨胀系数 界面存在很大应力集中（热膨胀系数相差大）,42,b） 碳纤维/铝基复合材料（Cf/Al） 碳纤维：密度小、力学性能非常优异、价格便宜 面临问题：与铝浸润性差、高温下容易发生化学反应 （生成严重影响材料性能的Al4C3） 解决办法：不直接使用，进行表面处理（镀金属）,43,Cf/Al制造方法： 扩散结合：纤维黏附基体金属，纤维重叠排列， 热压

14、扩散结合（纤维先驱体） 挤压铸造：纤维预成型体置于金属膜中，适当加热， 加压浸入熔融基体金属、高压冷却凝固 浸 渍 法：纤维预制成型，浸入液态金属冷却凝固。 温度过高（注意界面反应控制）,44,c）碳化硅纤维/铝基复合材料（SiCf/Al） 有芯纤维：钨、碳芯经化学气象沉积制备（直径较粗） 表面游离碳少、含氧量低，与铝不易反应 容易制备复合材料 无芯纤维：聚碳硅烷热处理获得（一束多丝） 表面有较多游离碳和氧，易和铝反应 制造复合材料比较困难,45,纤维优点：优异力学性能、较强高温抗氧化能力(较之Bf、Cf) 与铝相容性好（铝合金的较好增强体） SiCf/Al制备方法：热压扩散法、加压铸造法、浸

15、渍法 SiCf/Al性能：高抗拉强度、抗弯强度和优异耐磨性能 优异高温性能（400度以下强度降低很少）,46,（3）短纤维增强铝基复合材料 纤维种类：Al2O3、SiC 增强优点：增强体来源广、价格低、成型性好 （可采用传统金属成型工艺如铸、锻、轧等） 性能特点：室温拉伸强度 无明显改善，有时有降低 弹性模量 在室温和高温都有较大提高 基体合金 高温性能 得到很大提高 基体合金 耐磨性 有明显改善 热膨胀系数 减小,47,3.3 铝基复合材料的应用 （1）长纤维增强铝基复合材料的应用 航空航天领域（高比强度比模量、尺寸稳定性好、价格贵） Bf/Al ：航天飞机机身框架及支柱、飞机起落架部件、

16、飞机机翼蒙皮、飞机垂直尾翼、导弹构件、 多层半导体芯片支座散热冷却板 （导热性好、热膨胀系数与半导体匹配）,48,Cf/Al ： 比模量高、导电导热、尺寸稳定性好 卫星抛物面天线骨架（尺寸稳定性好） 飞机某些构件（有助于减轻重量） SiCf/Al： 飞机、导弹、发动机的高温构件 （2）短纤维、颗粒、晶须增强铝基复合材料的应用 性能优异，应用前景广阔，价格相对便宜 （参阅教材74页内容）,49,4 钛基复合材料 4.1 概述 钛合金：优良的耐高温性能、耐腐蚀性能、低的密度 性能不能满足航空和航天等领域的进一步要求 钛基复合材料：克服基体合金耐磨性、模量低的缺点 更高比强度、比模量 极佳耐疲劳、抗

17、蠕变性能 优异高温性能、耐腐蚀性能,50,制备工艺特点：要经历8001200 度高温暴露 容易和增强体发生界面反应 基体合金选择：TiAl ()、Ti3Al(2)（良好高温抗氧化性） Ti2NbAl （良好塑性、抗氧化性） 工业纯钛不适合（与SiC纤维有剧烈反应）,51,4.2 颗粒增强钛基复合材料 工艺特点： 简单经济（较之纤维增强） 精密铸造、粉末冶金、挤压、锻造 常用基体： TiAl（）、Ti3Al（2） 常用颗粒： 碳化硅、碳化钛、碳化硼,52,颗粒增强钛基复合材料性能特点： 1）各向同性 2）硬度、刚度、耐磨性明显改善 3）塑性、韧性、耐疲劳性能有所下降 4）室温拉伸强度与基体相近甚

18、至不如基体 5）高温强度比基体合金好,53,4.3 长纤维增强钛基复合材料 制备工艺： 成型工艺复杂 固相法（热压、热等静压） 纤维与基体要求： 物理参数要匹配（热膨胀系数） 良好热稳定性 良好高温性能 增强纤维： 与钛不易发生反应 碳化硅纤维、碳化钛纤维、 碳化硅包覆硼纤维、耐高温金属纤维,54,性能特点 纵向力学性能：强度、模量、抗蠕变性能等比基体合金高 横向力学性能：不如基体合金（约为基体合金的1/3-1/2） （增强体与基体合金之间形成弱界面） 耐疲劳性能： 良好耐疲劳性能 （弱界面有利于组止疲劳裂纹生长）,55,4.4 钛基复合材料的应用 航空航天领域（如航天飞机的机身构件） 军事领

19、域（如导弹尾翼） 汽车工业 医疗领域,56,5 镁基复合材料 5.1 常用基体合金 纯 镁：强度低，不适于用作基体材料 镁合金：加入合金元素（固溶强化、沉淀强化） Al、Mn、Zr（强度、耐腐蚀性） 稀土金属（铸造性能、焊接性能，耐热性）,57,5.2 常用增强体 镁合金特点：化学性质更加活泼，要充分考虑界面反应 增强体选择原则：物理化学相容性、界面润湿性好 尽量避免界面反应 常用增强体：涉及 Cf、Bf、Al2O3p、SiCp、BCp、SiCw等,58,Al2O3：界面反应强烈（镁能还原出铝）, 不适合用作增强体 Cf： 强度高而质轻，与合金反应而损伤纤维(不与纯镁反应) 用作增强体时要进行表面涂层处理 BC：不与纯镁反应，适于增强镁合金 表面游离B2O3与镁反应生成MgB2（增加界面润湿性） SiC：与镁合金没有强烈界面反应，适于增强镁合金,59,5.3 镁基复合材料的制备方法 挤压铸造法：增强体均匀分散、模压成型获得增强体预制块 镁合金加压渗透到预制块中冷却凝固 搅拌铸造法：增强体加入液态或者半固态镁合金，搅拌铸造 粉末冶金法：镁合金、增强体混合，模压成型，热压烧结 喷射沉积法：高压惰性气体喷射雾化镁合金、增强颗粒 真空浸渗法：液态金属真空负压渗入预制体,60,5.4 镁基复合材料的性能特征 位错强化：镁合金、增强体之间存在热膨胀系数