第5章 金屬基復合材料的成形加工

1、第第5 5章章 金屬基復合材料的金屬基復合材料的成形加工成形加工2022年3月7日星期一2本章主要內容本章主要內容鑄造鑄造塑性成形塑性成形焊接焊接切削加工切削加工連接連接晶須晶須, ,顆粒增強金屬基復合材料顆粒增強金屬基復合材料連續(xù)纖維增強金屬基復合材料連續(xù)纖維增強金屬基復合材料 了解金屬基復合材料成形加工技術的種類、特點，掌握鋁基了解金屬基復合材料成形加工技術的種類、特點，掌握鋁基復合材料的軋制塑性和擠壓塑性成形技術。復合材料的軋制塑性和擠壓塑性成形技術?；疽蠡疽? 5.1 5.1 鑄造成型鑄造成型5.1.1 5.1.1 鑄造成型方法與特點鑄造成型方法與特點按增強材料和金屬液體按增強

2、材料和金屬液體的混合方式不同的混合方式不同正正壓壓鑄鑄造造拌拌鑄鑄造造負負壓壓鑄鑄造造2022年3月7日星期一45.1.1.1 5.1.1.1 攪拌鑄造成型攪拌鑄造成型利用合金在固液溫度利用合金在固液溫度區(qū)間經攪拌后得到的區(qū)間經攪拌后得到的流變性質，將增強顆流變性質，將增強顆粒攪入半固態(tài)熔液中粒攪入半固態(tài)熔液中，依靠半固態(tài)金屬的，依靠半固態(tài)金屬的粘性阻止增強顆粒因粘性阻止增強顆粒因密度差而浮沉來制備密度差而浮沉來制備復合材料。復合材料。通過攪拌器的旋轉運通過攪拌器的旋轉運動使增強材料均勻分動使增強材料均勻分布在液體中，然后澆布在液體中，然后澆注成型。此法所用設注成型。此法所用設備簡單，操作方便

3、備簡單，操作方便, ,但增強顆粒不易與基但增強顆粒不易與基體材料混合均勻，且體材料混合均勻，且材料的吸氣較嚴重。材料的吸氣較嚴重。攪拌鑄攪拌鑄造成型造成型2022年3月7日星期一5正壓鑄造成型可按加壓方式分為擠壓鑄造和離心鑄造。 5.1.1.2 5.1.1.2 正壓鑄造成型正壓鑄造成型離心鑄造法是在離心作用離心鑄造法是在離心作用下將金屬液體滲入增強材下將金屬液體滲入增強材料間隙形成復合材料的一料間隙形成復合材料的一種方法。種方法。擠壓鑄造是按零件的形狀擠壓鑄造是按零件的形狀制作增強物預制塊，將預制作增強物預制塊，將預制塊放入鑄型制塊放入鑄型, ,在重力下在重力下澆入液態(tài)金屬或合金，液澆入液態(tài)金

4、屬或合金，液體在壓頭作用下滲入預制體在壓頭作用下滲入預制塊。塊。2022年3月7日星期一65.1.1.3 5.1.1.3 負壓鑄造成型負壓鑄造成型將預制體放入鑄型后，將預制體放入鑄型后，將鑄型一端浸入金屬液將鑄型一端浸入金屬液中，而將鑄型的另一端中，而將鑄型的另一端接真空裝置，使液態(tài)合接真空裝置，使液態(tài)合金吸入預制體內的一種金吸入預制體內的一種方法。方法。破壞金屬液體表面的氧化破壞金屬液體表面的氧化層以改善液體與增強顆粒層以改善液體與增強顆粒的浸潤性，借助預制體內的浸潤性，借助預制體內的毛細管力作用使金屬液的毛細管力作用使金屬液體引入增強材料間隙。體引入增強材料間隙。自浸透法自浸透法真空吸鑄法

5、真空吸鑄法2022年3月7日星期一75.1.2 5.1.2 鑄造成型鑄造成型的技術問題的技術問題 1.1.增強顆粒與金屬熔體的潤濕性增強顆粒與金屬熔體的潤濕性 2.2.增強顆粒分布均勻性增強顆粒分布均勻性 3.3.增強顆粒與基體金屬的界面結構增強顆粒與基體金屬的界面結構 4.PRMMC 4.PRMMC 的凝固過程的凝固過程2022年3月7日星期一8 增強顆粒進入基體金屬熔體，并能很好地分散，首要的條件是兩者增強顆粒進入基體金屬熔體，并能很好地分散，首要的條件是兩者必須相互潤濕。以鋁合金為例，常用的增強顆粒必須相互潤濕。以鋁合金為例，常用的增強顆粒Al2O3、SiC 與與Al 的潤的潤濕性都比較

6、差，它們的接觸角濕性都比較差，它們的接觸角大于大于90o。而有些增強顆粒表面存在的氧。而有些增強顆粒表面存在的氧化物，由于其吸附氣體、水分等，使得增強顆粒與金屬基體的潤濕性變化物，由于其吸附氣體、水分等，使得增強顆粒與金屬基體的潤濕性變得更差。得更差。 1.1.增強顆粒與金屬熔體的潤濕性增強顆粒與金屬熔體的潤濕性增強顆粒在復合材料凝固過程中是被凝固界面排斥還是捕捉受很多因素的增強顆粒在復合材料凝固過程中是被凝固界面排斥還是捕捉受很多因素的影響，如顆粒與固相、液相之間的界面能，顆粒的大小及密度，液體的粘影響，如顆粒與固相、液相之間的界面能，顆粒的大小及密度，液體的粘度，熱傳導率，液體的對流，界面

7、前沿的溫度梯度等。度，熱傳導率，液體的對流，界面前沿的溫度梯度等。 對于金屬對于金屬/ /陶瓷這樣的高界面能系統(tǒng)，其界面能比低溫下的水或有機溶液陶瓷這樣的高界面能系統(tǒng)，其界面能比低溫下的水或有機溶液/ /顆粒系統(tǒng)的界面能大得多，此時界面能的作用占主導地位。顆粒系統(tǒng)的界面能大得多，此時界面能的作用占主導地位。 在重力下凝固及界面前無對流的條件下，當顆粒較小時（在重力下凝固及界面前無對流的條件下，當顆粒較小時（0.5mm0.5mm）可忽）可忽略浮力的影響，結合凝固界面與顆粒相接觸時的實際生長狀態(tài)，提出了略浮力的影響，結合凝固界面與顆粒相接觸時的實際生長狀態(tài)，提出了下圖所示的相互作用模型下圖所示的相

8、互作用模型 909090, , 顆粒被排斥顆粒被排斥當當PLPLSPSP時，時，9090，顆粒被凝固界面捕捉，顆粒被凝固界面捕捉, ,結合更穩(wěn)定。結合更穩(wěn)定。當當PLPLSPSP時，時，9090，顆粒將被凝固界面所排斥，顆粒將被凝固界面所排斥. . SP，PL，SL分別代表固相分別代表固相/顆粒、顆粒顆粒、顆粒/液相、固相液相、固相/液相之間的界面能，液相之間的界面能，三者有如下關系三者有如下關系 :cos()/PLSPSL2022年3月7日星期一101 12 23 34 42022年3月7日星期一11在外加增強顆粒制備在外加增強顆粒制備PRMMC PRMMC 的鑄造法中，增強的鑄造法中，增強

9、顆粒的密度一般與基體金屬相差較大顆粒的密度一般與基體金屬相差較大, ,且兩者互不且兩者互不潤濕，因而顆粒在金屬基體中容易上浮、下沉及潤濕，因而顆粒在金屬基體中容易上浮、下沉及偏聚。偏聚。Stokes Stokes 質點上浮速度表達式為：質點上浮速度表達式為：增強顆粒金屬液292rgv式中式中:金屬液的粘度金屬液的粘度, (pa, (pas) s) ； r r 增強顆粒半徑，增強顆粒半徑，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增強顆粒與基體金屬的界面結構

10、增強顆粒與基體金屬的界面結構1 1增強體與基體互不反應亦互不溶解增強體與基體互不反應亦互不溶解2 2增強體與基體不反應但能互相溶解增強體與基體不反應但能互相溶解3 3增強體與基體互相反應增強體與基體互相反應-界面反應物界面反應物PRMMC 的界面問題一直是本領域研究的重大技術問題。PRMMC 的界面有3 種類型：2022年3月7日星期一134. PRMMC 4. PRMMC 的凝固過程的凝固過程PRMMC PRMMC 的凝固過程由于增強體的存在其溫度場和濃度場、的凝固過程由于增強體的存在其溫度場和濃度場、晶體生長的熱力學和動力學過程都會發(fā)生變化。在非平衡凝固條晶體生長的熱力學和動力學過程都會發(fā)

11、生變化。在非平衡凝固條件下件下, , 這些變化均將對這些變化均將對PRMMC PRMMC 的組織和性能產生明顯影響。對增的組織和性能產生明顯影響。對增強體在凝固過程中常被凝固界面推移到枝晶間和金屬最后凝固區(qū)強體在凝固過程中常被凝固界面推移到枝晶間和金屬最后凝固區(qū)域的現(xiàn)象進行研究發(fā)現(xiàn)如果熱物理參數能滿足以下公式域的現(xiàn)象進行研究發(fā)現(xiàn)如果熱物理參數能滿足以下公式: : MMMpppCC式中：式中： M M ,p p 分別為基體和增強顆粒的導熱系數（分別為基體和增強顆粒的導熱系數（W Wm m- 1- 1-1-1） ； C CM M , C, Cp p 分別為基體和增強顆粒的比熱分別為基體和增強顆粒的

12、比熱，（J Jkgkg-1-1-1-1） M M ,p p 分別為基體和增強顆粒的密度分別為基體和增強顆粒的密度，(kg(kgm m-3-3) ) 。2022年3月7日星期一145.1.3 5.1.3 PRMMCPRMMC的原位反應合成技術的原位反應合成技術 外加增強顆粒與金屬基體復合的方法，不能從根本上解外加增強顆粒與金屬基體復合的方法，不能從根本上解決鑄造成型法存在的潤濕性差的問題。近年來，發(fā)展起來的決鑄造成型法存在的潤濕性差的問題。近年來，發(fā)展起來的一種制備一種制備PRMMCPRMMC的新型方法的新型方法原位反應合成法。原位反應原位反應合成法。原位反應合成法的基本原理是在一定條件下，通過

13、元素之間或元素與合成法的基本原理是在一定條件下，通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應化合物之間的化學反應, ,在金屬基體內原位生成在金屬基體內原位生成1 1 種或幾種種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相，從而達到強化金屬基體高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相，從而達到強化金屬基體的目的。的目的。 2022年3月7日星期一15該工藝具有如下特點：該工藝具有如下特點：(1)(1) 增強體是從金屬基體中原位形核、長大的熱力增強體是從金屬基體中原位形核、長大的熱力 學穩(wěn)定相，因此，增強體表面無污染，避免了與基體學穩(wěn)定相，因此，增強體表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，界面結合強度高。相容性不良

14、的問題，界面結合強度高。(2)(2) 通過合理選擇反應元素（或化合物）的類型、成通過合理選擇反應元素（或化合物）的類型、成分及其反應性，可有效地控制原位生成增強體的種類、分及其反應性，可有效地控制原位生成增強體的種類、大小、分布和數量。大小、分布和數量。(3)(3) 省去了增強體單獨合成、處理和加入等工序，工省去了增強體單獨合成、處理和加入等工序，工藝簡單，成本較低。藝簡單，成本較低。(4)(4) 從液態(tài)金屬基體中原位生成增強顆粒，可用鑄造從液態(tài)金屬基體中原位生成增強顆粒，可用鑄造方法制備形狀復雜、尺寸較大的近凈形構件。方法制備形狀復雜、尺寸較大的近凈形構件。(5)(5) 在保證材料具有較好的

15、韌性和高溫性能的同時，在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時，可較大幅度地提高材料的強度和彈性模量。可較大幅度地提高材料的強度和彈性模量。2022年3月7日星期一16 圖圖5-1 Duralcon5-1 Duralcon公司生產的各種鑄件公司生產的各種鑄件 圖圖5-2 5-2 真空鑄造法制造的連續(xù)真空鑄造法制造的連續(xù)纖維增強鎂基復合材料零件纖維增強鎂基復合材料零件 圖5-1是Duralcon公司生產的各種鑄件。對于連續(xù)纖維增強金屬基復合材料零件的制造也可采用真空吸鑄、真空壓力鑄造的方法。如氧化鋁纖維增強鎂基復合材料，可選用真空鑄造的方法制造。圖5-2為真空鑄造法制造的連續(xù)纖維增強鎂基復合材料

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分別列出了鋁基復合材料室溫和高溫的拉伸性能。分別列出了鋁基復合材料室溫和高溫的拉伸性能。5.2 5.2 塑性成形塑性成形5.2.15.2.1鋁基復合材料的拉伸塑性鋁基復合材料的拉伸塑性復合材料復合材料狀態(tài)狀態(tài)體積分數體積分數/%0.2MPabMPa伸長率伸長率%EGPa生產商生產商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 顆粒增強鋁基復合材料的力學性能顆粒增強鋁基復合材料的力學性能 2022年3月7日星期一18表表5-2 5-2 復合材料與基體合金的高溫力學性能復合材料與基體合金的高溫力學性能材料材料顆粒顆粒尺寸尺寸m體積體積分數分數%200400bMPa0.2MPa伸長率伸長率%bMPa0.2MPaAlNp/6061Al10.84404223725.075515.96061Al22618914.5292444.3Al2O3p/6061Al20.152032923524.9101437.6Al2O3p/606

19、1Al20.153030021932.0176946.1Al2O3p/6061Al10.4203663122.889664.41 1 壓鑄態(tài)，壓鑄態(tài)，T6T6處理；處理；2 2擠壓態(tài)，擠壓態(tài)，T4T4處理。處理。 2022年3月7日星期一195.2.2 5.2.2 金屬基復合材料的高溫壓縮變形金屬基復合材料的高溫壓縮變形 復合材料高溫壓縮變形的特點存在明顯的應變軟化現(xiàn)象。復合材料高溫壓縮變形的特點存在明顯的應變軟化現(xiàn)象。高溫壓縮變形的應力一應變曲線上有明顯的峰值，即當壓縮高溫壓縮變形的應力一應變曲線上有明顯的峰值，即當壓縮變形量大到一定程度以后，開始出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象。晶須變形量大到一定程度以后

20、，開始出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象。晶須/Al/Al復合材料高溫壓縮變形后，其組織結構的最明顯特點是復合材料高溫壓縮變形后，其組織結構的最明顯特點是晶須發(fā)生了有序分布，即晶須產生了垂直于壓縮方向的定向晶須發(fā)生了有序分布，即晶須產生了垂直于壓縮方向的定向排列。壓縮變形時所表現(xiàn)出的應變軟化行為與晶須有序化有排列。壓縮變形時所表現(xiàn)出的應變軟化行為與晶須有序化有關。即當晶須垂直于壓縮方向排列時，晶須所承受的載荷下關。即當晶須垂直于壓縮方向排列時，晶須所承受的載荷下降，于是表現(xiàn)出應變軟化現(xiàn)象。降，于是表現(xiàn)出應變軟化現(xiàn)象。 金屬基復合材料的壓縮強度可由下式給出：金屬基復合材料的壓縮強度可由下式給出：2022年3月7日

21、星期一20 式中，（l/d）為晶須的平均臨界長徑比； i為晶須取向同壓縮方向的夾角；m為基體合金的流變應力；Vf為晶須的體積分數。 復合材料的高溫壓縮變形時，壓縮過程中晶須長軸的取向分布函數可以用下式給出： 式中A、B均為應變量的線性函數。并進一步推導出復合材料高溫壓縮流變應力近似表達式：sin)exp()(CBAf（5-4） mniifmcnVdl12cos)(（5-3） 2022年3月7日星期一21 復合材料拉伸過程中的晶須承受一定的力矩，在該力矩的作用下晶須將發(fā)生轉動。其晶須轉動的表達式為:mmfcddfdlV )(cos2sin)/(202/0（5-5） G4/ )2sin()2sin

22、(75. 0（彈性階段）（彈性階段） （塑性階段）（塑性階段） （5-6） （5-7） 式中，為晶須轉動的角度；為復合材料所受的拉伸應力；為晶須長軸與拉伸方向的夾角；為復合材料的拉伸應變。2022年3月7日星期一22按材料溫度分類：按材料溫度分類： 熱軋熱軋 冷軋冷軋按軋機排列方式分類按軋機排列方式分類單機架軋制、單機架軋制、半連續(xù)軋制半連續(xù)軋制連續(xù)軋制連續(xù)軋制 軋制是指軋件由摩擦軋制是指軋件由摩擦力拉進在旋轉的軋輥間，力拉進在旋轉的軋輥間，借助于軋輥施加的壓力，借助于軋輥施加的壓力，有時伴以熱作用，使材有時伴以熱作用，使材料發(fā)生塑性變形的過程。料發(fā)生塑性變形的過程。通過軋制使材料具有一通過軋

23、制使材料具有一定的形狀、尺寸和性能。定的形狀、尺寸和性能。5.2.3 5.2.3 鋁基復合材料的軋制塑性鋁基復合材料的軋制塑性2022年3月7日星期一23溫度溫度表表5-35-3為為25%SiCp/Al25%SiCp/Al復合復合材料經過材料經過16:116:1擠擠壓后，經過三道壓后，經過三道軋制后的致密度。軋制后的致密度。變形量變形量表表5-45-4為為2525 SiCp/AlSiCp/Al復合材復合材料經過料經過1616：1 1擠擠壓后，在預熱溫壓后，在預熱溫度分別為度分別為350350和和450450進行的進行的不同軋下量軋制不同軋下量軋制后的致密度。后的致密度。預熱預熱溫度溫度對擠壓比

24、為對擠壓比為25:125:1的的1515SiCp/AlSiCp/Al復合材料預熱復合材料預熱350350和和500500進進行軋制后拉伸強行軋制后拉伸強度分布為度分布為230MPa230MPa和和245MPa245MPa。軋制比軋制比 表表5-55-5為為SiCp/AlSiCp/Al復合材料經過擠復合材料經過擠壓比壓比25:125:1擠壓后，擠壓后，在在450450下進行下進行的不同軋下量軋的不同軋下量軋制后的拉伸強度。制后的拉伸強度。表表5-3 5-3 不同溫度軋制后不同溫度軋制后2525SiCp/AlSiCp/Al復合材料的致密度復合材料的致密度 表表5-4 255-4 25SiCp/Al

25、SiCp/Al復合材料在不同軋下量軋制后的致密度復合材料在不同軋下量軋制后的致密度表表5-5 255-5 25SiCp/AlSiCp/Al復合材料在不同軋下量軋制后的拉伸強度復合材料在不同軋下量軋制后的拉伸強度2022年3月7日星期一245.2.4 5.2.4 鋁基復合材料的擠壓塑性鋁基復合材料的擠壓塑性 在諸多塑性成形手段（擠壓、軋制、鍛造、拉拔等）中在諸多塑性成形手段（擠壓、軋制、鍛造、拉拔等）中擠壓是二次加工最為常用的手段之一，因此擠壓是這類復合擠壓是二次加工最為常用的手段之一，因此擠壓是這類復合材料研究的重點。由于金屬基體中含有一定體積分數的增強材料研究的重點。由于金屬基體中含有一定體

26、積分數的增強物物( (晶須、顆粒晶須、顆粒) )，大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成，大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成形困難，堅硬的增強顆粒將磨損模具，因此對常規(guī)的工藝需形困難，堅硬的增強顆粒將磨損模具，因此對常規(guī)的工藝需進行相應的改進，如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。進行相應的改進，如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。擠壓時，影響材料在模具中流動的因素很多，例如擠壓方法、擠壓時，影響材料在模具中流動的因素很多，例如擠壓方法、制品形狀和尺寸、合金種類、模具的結構與尺寸、工藝參數、制品形狀和尺寸、合金種類、模具的結構與尺寸、工藝參數、潤滑條件等。影響擠壓成形性的主要因素有擠壓變形時

27、模具潤滑條件等。影響擠壓成形性的主要因素有擠壓變形時模具及坯料的預熱溫度、擠壓比和擠壓變形速度，以及潤滑劑。及坯料的預熱溫度、擠壓比和擠壓變形速度，以及潤滑劑。2022年3月7日星期一25（1 1）潤滑劑）潤滑劑 潤滑劑的作用是改變擠壓坯料和模具之間的摩擦力。潤滑劑的作用是改變擠壓坯料和模具之間的摩擦力。摩擦力越小則由于坯料內外層材料流動不均勻所形成的附摩擦力越小則由于坯料內外層材料流動不均勻所形成的附加拉應力就越小。加拉應力就越小。（2 2）擠壓溫度）擠壓溫度 最佳擠壓溫度的選擇應考慮以下因素：金屬的塑性較最佳擠壓溫度的選擇應考慮以下因素：金屬的塑性較好；變形抗力盡可能小；型材具有最高強度；

28、較高勞動生好；變形抗力盡可能?。恍筒木哂凶罡邚姸?；較高勞動生產率和較低勞動成本。為了保持擠壓制品的整體性，在擠產率和較低勞動成本。為了保持擠壓制品的整體性，在擠壓過程中，塑性變形區(qū)的溫度必須與壓過程中，塑性變形區(qū)的溫度必須與SiCp/AlSiCp/Al復合材料塑復合材料塑性最好的溫度范圍相適應。隨著復合材料壞料及模具預熱性最好的溫度范圍相適應。隨著復合材料壞料及模具預熱溫度的升高，擠壓力顯著降低，如表溫度的升高，擠壓力顯著降低，如表5-65-6所示。溫度每升所示。溫度每升高高5050，最大擠壓力降低，最大擠壓力降低101020MPa20MPa。2022年3月7日星期一26（3 3）擠壓比擠壓比

29、 在熱擠壓中，不論是哪種擠壓方式，其最大單位擠壓在熱擠壓中，不論是哪種擠壓方式，其最大單位擠壓力和變形功都是隨變形程度的增加而增大。變形程度可力和變形功都是隨變形程度的增加而增大。變形程度可以采用不同的方法來表示，采用比較多的是用斷面收縮以采用不同的方法來表示，采用比較多的是用斷面收縮率率來表示。來表示。 表表5-6 SiCp/Al5-6 SiCp/Al復合材料不同溫度下的最大擠壓力復合材料不同溫度下的最大擠壓力溫度溫度/350350 400 400 450 450 500 500最大擠壓力最大擠壓力/MPa/MPa 280 280 265 265 248 248 235 235（4 4）擠壓

30、速度）擠壓速度 SiCp/A1SiCp/A1復合材料由于復合材料由于SiCSiC顆粒的加入使基體的變形抗力顆粒的加入使基體的變形抗力增加，因此，增加，因此，SiCp/AlSiCp/Al復合材料的擠壓力比基體要高，容易復合材料的擠壓力比基體要高，容易產生第一類或第二類裂紋而使擠壓制品表面發(fā)生碎裂，但可產生第一類或第二類裂紋而使擠壓制品表面發(fā)生碎裂，但可以通過降低擠壓速度使過多的熱量從高溫加工的剪切變形區(qū)以通過降低擠壓速度使過多的熱量從高溫加工的剪切變形區(qū)擴散出去，使該問題得以解決。但是，如果擠壓速度過低，擴散出去，使該問題得以解決。但是，如果擠壓速度過低，則又會出現(xiàn)第三類低速撕裂現(xiàn)象。則又會出現(xiàn)

31、第三類低速撕裂現(xiàn)象。式中，式中，為擠壓前坯料的橫截面積；為擠壓前坯料的橫截面積；F F1 1為擠壓棒材的橫截面積。為擠壓棒材的橫截面積。010 1 0 0FFF （5-8） 2022年3月7日星期一28（5 5）SiCSiC顆粒體積分數顆粒體積分數 圖圖5-35-3是是SiCp/AlSiCp/Al復合材料經過相同擠壓比復合材料經過相同擠壓比25:125:1后后SiCSiC顆粒顆粒體積分數對最大擠壓力的影響曲線。從圖中可以看出，最大擠體積分數對最大擠壓力的影響曲線。從圖中可以看出，最大擠壓力隨著壓力隨著SiCSiC顆粒體積分數的增加而增加。顆粒體積分數的增加而增加。 圖圖 5 53 3 復合材料

32、中復合材料中SiCSiC顆粒的體積分數對最大擠壓力的影響顆粒的體積分數對最大擠壓力的影響2022年3月7日星期一29(6)(6)熱擠壓對顆粒增強鋁基復合材料組織和性能的影響熱擠壓對顆粒增強鋁基復合材料組織和性能的影響在擠壓過程，金屬基復合材料的顯微組織除了會發(fā)生纖維在擠壓過程，金屬基復合材料的顯微組織除了會發(fā)生纖維斷裂外，在某些情況下還會形成平行于擠壓方向的斷裂外，在某些情況下還會形成平行于擠壓方向的“陶瓷富陶瓷富集帶集帶”(Ceramic Enriched Bands)(Ceramic Enriched Bands)，如圖，如圖5-45-4所示。所示。 圖圖5-4 5-4 擠壓形成的顆粒富集

33、帶擠壓形成的顆粒富集帶2022年3月7日星期一305.2.5 5.2.5 金屬基復合材料的蠕變性能金屬基復合材料的蠕變性能金屬基復合材料具有良好的高溫性能。金屬基復合材料與其基體相比通常具有較高的應力指數、蠕變激活能和蠕變抗力。采用彌散強化合金蠕變引入的門檻應力來解釋金屬基復合材料高應力指數、蠕變激活能的原因。這樣，蠕變方程可表示為：)exp(/ )(0RTQEAcn（5-95-9） 式中，為蠕變速率；A為常數；-0為門檻應力；E為與溫度有關的彈性模量；為蠕變激活能；n為真應力指數；R為氣體常數；T為絕對溫度。 表5-7列出了一些復合材料的蠕變數據。2022年3月7日星期一31表表5-7 5-

34、7 金屬基復合材料的蠕變數據金屬基復合材料的蠕變數據復合材料復合材料溫度溫度/K/K應力指數應力指數n n蠕變激活能蠕變激活能/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 非連續(xù)增強金屬基復合材料的超塑性金屬基復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，然而其機械加工性能較差，這限制了其應用和發(fā)展。應用近終形（near- net shape)成型技術的關鍵是超塑性變形。在超塑性變形過程，應變速率通常表達為： npEdbKTDEbA0 （5-10） 式中，為柏氏矢量；D為相關的擴散系數； E為彈性模量；K為波爾茲曼常數；T為絕對測試溫度； d為晶粒尺寸；p為晶粒尺寸指數；為流變應力； 0為門檻應力；n為應力指數；A為幾何常數。2022年3月7日星期一33又稱為轉變超塑性或又稱為轉變超塑性或變態(tài)超塑性。是材料變態(tài)超塑性。是

37、材料在變動頻繁的溫度環(huán)在變動頻繁的溫度環(huán)境下受應力作用時經境下受應力作用時經多次循環(huán)相變或同素多次循環(huán)相變或同素異形轉變而得到的很異形轉變而得到的很大的變形量大的變形量又稱細晶超塑性或恒溫又稱細晶超塑性或恒溫超塑性。指材料晶粒通超塑性。指材料晶粒通過細化、超細化和等軸過細化、超細化和等軸化，在變形期間保持穩(wěn)化，在變形期間保持穩(wěn)定，在一定變形溫度區(qū)定，在一定變形溫度區(qū)間（間（T0.5TmT0.5Tm）和一定）和一定變形速度條件下變形速度條件下( (應變應變速率在速率在10-410-410-110-1之間之間) )所呈現(xiàn)出的超塑性。所呈現(xiàn)出的超塑性。其他超塑性主要包括其他超塑性主要包括短暫超塑性、

38、相變誘短暫超塑性、相變誘發(fā)超塑性以及消除應發(fā)超塑性以及消除應力退火過程中，應力力退火過程中，應力作用下積蓄在材料內作用下積蓄在材料內能量釋放獲得的超塑能量釋放獲得的超塑性性按實現(xiàn)超塑性的條件分類按實現(xiàn)超塑性的條件分類組織組織超塑性超塑性相變相變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超塑性變形過程中組織變化有以下特點超塑性變形過程中組織變化有以下特點: :1 12 23 34 4晶粒形晶粒形狀與尺狀與尺寸的變寸的變化化晶粒的晶粒的滑動、滑動、轉動和轉動和換位換位晶粒晶粒折皺折皺帶帶位錯位錯5 5空洞空洞2022年3月7日星期一35另一類為沿晶界，特別另一類為沿晶界，特別是相

39、界產生的圓形空洞是相界產生的圓形空洞或或O O形空洞，它們的形形空洞，它們的形狀多半接近團或橢圓。狀多半接近團或橢圓。這類空洞可以看作是過這類空洞可以看作是過飽和的空位晶界（或相飽和的空位晶界（或相界）匯流、聚集（沉淀）界）匯流、聚集（沉淀）而形成的。而形成的。 一類為產生于三晶一類為產生于三晶粒交界處的楔形空洞粒交界處的楔形空洞或或V V形空洞，這類空洞形空洞，這類空洞是由于應力集中產生是由于應力集中產生的的按照空洞按照空洞形狀分類形狀分類2022年3月7日星期一36 空洞形核有兩種觀點：一為復合材料變形前就存在，或者為超塑性變形的晶界滑移過程中，經過一定的應變最后在界面上形成的。Stroh

40、運用Zener的假設（在剪切應力作用下發(fā)生晶界滑動時，在三叉晶界處產生裂紋）提出的空洞形核條件如下： LG122（5-11） 式中，為剪切力；為空洞的表面能；L為滑動晶面長度（相當于晶界凸起之間距離或晶界粒子之間距離）；G為剪切模量。 2022年3月7日星期一37在超塑性變形過程中，隨著晶界滑移的進行，由于顆粒與基體的彈性模量等物理性能不同，以及硬顆粒對滑移的阻礙作用必將產生界面應力集中，特別對尺寸較大的顆粒，這些界面應力難以釋放，因此，顆粒，基體的界面成為空洞優(yōu)先形核位置。極限顆粒尺寸可由下式表示： 3/1/KTDgb（5-12） 式中，為原子體積；為流變應力；為邊界擴散；K為波爾茲曼常數；

41、T為熱力學溫度；為應變速率。當顆粒尺寸小于時空洞的生成是有限的，反之，將引起明顯的空洞生成擴散。2022年3月7日星期一38式中， 為原子體積；gb為晶界寬度；gb晶界擴散系數；r為空洞半徑；為表面能; 為流動應力；為熱力學溫度；為應變速率；為玻爾茲曼常數；為考慮空洞尺寸與間距的系數，其值為：/23/21 2/ln4122rrr（5-14） 式中， 為空洞之間的距離。2022年3月7日星期一39為零應變時的空洞量，空洞生長速率指數即為曲線的斜率。 應變速率敏感指數（m值）是超塑性變形時的一個重要特征量，它受變形速率、變形溫度和組織結構等因素的影響。長期以來，為了便于使用一直將應變速率敏感指數作

42、為給定變形條件下的常數。Stowell以不變的應變速率敏感指數為基礎提出了空洞受基體塑性變形控制長大的一個模型： 空洞體積分數與應變之間存在指數關系：expovvCC （5-15） vvvfddf/（5-16） 2022年3月7日星期一40PillingPilling給出了給出了v v的計算式為：的計算式為：1 12 23 34 4通過改變材料通過改變材料的成分、組成的成分、組成和組織等內在和組織等內在因素，抑制空因素，抑制空洞的形成與長洞的形成與長大大通過預先熱通過預先熱處理可獲得處理可獲得極細的晶粒極細的晶粒度并抑制空度并抑制空洞的形核和洞的形核和長大長大通過變形通過變形后的退火后的退火處

43、理，減處理，減少空洞少空洞通過變形通過變形后的熱等后的熱等靜壓壓實靜壓壓實使空洞減使空洞減少或根除少或根除svKmmmm31222sinh1（5-17） s=12, 抑制與減少空洞的措施抑制與減少空洞的措施2022年3月7日星期一41式中，0=() B，它與均為材料特性常數，可通過單向拉伸試驗確定，它不僅適用于比例加載情況，也適用于非比例加載情況。只要在單向拉伸時確定了材料特性常數o和1，就可確定在任意加載路徑下超塑性變形后損失變量值。圖5-5為空洞形成示意圖。 對超塑性材料而言，下面的方程式就是超塑性變形時材料的損失演變方程： pBemBempBBpemdpBdpBdpBD00001111)

44、exp()exp()()exp(（5-18） 2022年3月7日星期一42圖圖5-5 5-5 空洞形成示意圖空洞形成示意圖 表5-8和表5-9分別給出了鋁、鎂、鋅和鈦基復合材料超塑變形性能。2022年3月7日星期一43表表5-85-8鋁基復合材料的超塑變形性能鋁基復合材料的超塑變形性能2022年3月7日星期一44表表5-9 5-9 鎂鎂 、鋅、鋅、 鈦基復合材料的超塑變形性能鈦基復合材料的超塑變形性能2022年3月7日星期一455.35.3連接連接 本節(jié)對目前用于MMCs 的各種連接技術進行了系統(tǒng)地總結，這些技術包括熔融焊接(鎢和惰性氣體焊接、電子和激光束焊接、接觸電阻焊接、電容放電焊接、等離

45、子體焊接) 、固相連接（擴散連接、摩擦焊接和磁勵電弧對接）、釬焊和膠粘、等離子噴涂連接、快速紅外連接, 對各種技術的工藝特點、使用范圍、優(yōu)缺點進行了分析比較。這些方法都可以用于連接MMCs工件，但要使這些帶有接頭的MMCs工件在實際中應用，還有一些問題需要解決。 2022年3月7日星期一465.3.1 應用于MMCs 的常規(guī)連接技術目前在MMCs 的熔融焊接方面的研究工作相對多一些, 這些工作研究結果表明, 各種熔融焊接方法可以用于MMCs , 但是效果不夠理想, 特別是對于鋁基MMCs , 還存在著一系列的問題需要解決, 主要有:(1)常規(guī)的熔融焊接需要在高溫下進行,而高溫會引起復合材料基體

46、與加強物界面上的化學反應,；(2)常規(guī)的熔融焊接加工MMCs，當基體被加熱到熔點以上融化時，加強物仍然保持固態(tài)，因此熔池粘滯性很高，基體與增強物很難融合，在焊池的冷卻過程中會發(fā)生加強物的剝離；(3)如果MMCs采用粉末冶金法制造，閉塞在材料里的氣體會在焊池凝固時沖出，導致大量的氣孔在焊池和熱影響區(qū)(HAZ) 形成。 圖5-6為Duralcon公司用氬弧焊接SiCp/Al復合材料傳動軸的照片，以及焊成的自行車架。 2022年3月7日星期一47圖圖5-6 Duralcon5-6 Duralcon公司氬弧焊接的公司氬弧焊接的SiCp/AlSiCp/Al復合材料傳動軸（復合材料傳動軸（a a）以及自行

47、車架）以及自行車架(b)(b)2022年3月7日星期一48TIGTIG法是在惰性氣體保護法是在惰性氣體保護下，鎢電極和焊接工件間下，鎢電極和焊接工件間產生電弧使工件局部熔化產生電弧使工件局部熔化連接在一起連接在一起, , 必要時可添必要時可添加焊料。加焊料。1 1 鎢極惰氣保護焊接鎢極惰氣保護焊接(TIG(TIG） MIGMIG法是把小直徑電極絲法是把小直徑電極絲放在焊接工件處放在焊接工件處, ,電極絲電極絲與工件之間產生電弧使工與工件之間產生電弧使工件熔化件熔化, , 為了保護熔融的為了保護熔融的高溫材料高溫材料, , 需在電極絲需在電極絲周圍通入惰性氣體。周圍通入惰性氣體。2 2 金屬極惰

48、氣保護焊接金屬極惰氣保護焊接(MIG)(MIG)EBW EBW 是在真空條件下是在真空條件下, , 將將陰極發(fā)生的電子束通過正陰極發(fā)生的電子束通過正電壓加速然后用磁透鏡聚電壓加速然后用磁透鏡聚焦在工件表面焦在工件表面, , 電子束撞電子束撞擊焊接材料表面產生熱量擊焊接材料表面產生熱量使工件熔融焊接在一起。使工件熔融焊接在一起。3 3 電子束焊接電子束焊接(EBW)(EBW)采用光學透鏡聚焦采用光學透鏡聚焦, , 高高能量密度的激光束與工能量密度的激光束與工件表面相互作用產生耦件表面相互作用產生耦合效應使合效應使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)接觸電阻法是利用焊接材接觸電阻法是利用焊接材料之間的電阻料之間的電阻, , 通入外接通入外接電流產生熱量完成電流產生熱量完成MMCs MMCs 的焊接。的焊接。5 5 接觸電阻焊接接觸電阻焊接電容放電焊接是把存在大電容放電焊接是把存在大容量電容中的電能快速釋容量電容中的電能快速釋放出來熔融工件使其焊接。放出來熔融工件使其焊接。6 6 電容放電焊接電容放電焊接等離子體焊接是把等離子等離子體焊接是把等離子氣體通在鎢電極周圍形成氣體通在鎢電極周圍形成等離子電弧熔化等離子電弧熔化MMCs MMCs 使使其焊接在一起其焊接在一起, , 焊接時也焊接時也需通入保護氣體。需通入保護氣體。熔融

50、焊接主熔融焊接主要有以下要有以下幾類：幾類：6 6 電容放電焊接電容放電焊接7 7 等離子體焊接等離子體焊接2022年3月7日星期一491 .1 .擴散連接擴散連接擴散粘結主要指固相擴散連接(SSDB) 和過渡液相連接( TL PDB) 兩種方法。SSDB 方法是在連接工件上加一個小載荷, 然后在保護氣氛下或真空中升溫使工件發(fā)生微變形并連接在一起。 TL PDB 是將一個金屬薄片置于連接工件間，對于鋁基MMCs一般用銅、鋅和銀箔, 加熱工件至銅(鋅、銀)、鋁的共晶溫度形成共晶, 使MMCs 粘結在一起。5.3.1.2 5.3.1.2 固相連接固相連接2022年3月7日星期一502 2 摩擦焊接

51、摩擦焊接 摩擦焊接是通過兩個工件相對摩擦產生熱量使工件結合。一般是一個工件固定在軸上, 另一個繞其旋轉, 經過一段時間后, 停止旋轉并加載使工件接合在一起。3 3 磁勵電弧對焊磁勵電弧對焊(MIAB) (MIAB) MIAB 焊接是電弧在放射性磁場作用下繞管形工件的端部快速轉動, 產生熱量使工件連接, 接頭再經過鍛造完成焊接。焊接時需在管形工件內通入氬或Ar-5H2 保護氣體。MIAB 法用于加工直徑25mm、壁厚2 mm 的2124-T4/25SiCp 復合材料管材時, 效果較為理想, 但沒有機械性能方面的測試數據。2022年3月7日星期一515.3.1.3 5.3.1.3 釬焊釬焊 釬焊與

52、熔融焊接不同, 它不必熔化MMCs 的基體材料, 因此不存在基體與加強物的反應, 加強物的破壞大大減少。用釬焊方法焊接MMCs 時焊料的選擇和溫度的控制很重要, 如釬焊6061/ 50B 時采用Al2Si 焊料, 會有Si 析出在晶界上, 導致工作切向強度降低, 而采用Al2CuZn 焊料(熔點380) 不會發(fā)生這個問題。5.3.1.4 5.3.1.4 膠粘膠粘 膠粘是目前人們較為關注的MMCs 連接方法, 連接過程中MMCs 不承受外加熱循環(huán), 但連接前需進行表面預處理。膠粘的效果與粘結劑、表面預處理方法密切相關, 粘結劑主要有環(huán)氧樹脂(epoxy) 和聚丙烯(acrylic) , 表面熱處

53、理方法包括表面刻劃、陽極氧化、表面磷酸處理等。2022年3月7日星期一525.3.2 5.3.2 各種常規(guī)各種常規(guī)MMCsMMCs連接技術的特點與比較連接技術的特點與比較 熔融焊接的缺點是加強物與基體間發(fā)生化學反應, 焊池粘滯性高, 在凝固過程中發(fā)生加強物顆粒剝離, 這些問題可以通過控制熱循環(huán)速度和熱量輸入來解決。另一方面, 也可以通過添加焊料把合金化元素加入到焊池中來解決, 。 固相連接尤其是摩擦焊接在MMCs的焊接方面具有很大潛力, 由于是低溫操作, 界面反應被抑制, 熔融焊池的粘滯性降低, 但在產生摩擦過程中需要移動工件, 摩擦產生的熱量會引起表面加強顆粒或加強纖維的破碎。擴散連接法用于

54、MMCs 效果也較好, 但在兩連接工件間需添加中間層。與熔融焊接方法相比, 固相連接更適合于MMCs。 釬焊法的優(yōu)點是不破壞MMCs 材料, 接頭強度可達到焊接基底材料的80 %90 % , 應該再度得到人們的注意。 膠粘法的特點是不需要在MMCs 上外加熱循環(huán), 可在室溫條件下操作, 但關于該方法的研究十分有限, 尚需進一步的工作, 重點在優(yōu)化表面處理方法以延長接頭的壽命。 各種常規(guī)MMCs 連接技術的優(yōu)點和缺點具體見表5-11。2022年3月7日星期一53表表5-11 常規(guī)常規(guī)MMCs連接技術及其優(yōu)點和缺點連接技術及其優(yōu)點和缺點工藝方法優(yōu)點缺點熔融焊接鎢極惰氣保護焊接在焊接時可使用金屬焊料

55、以減少Al/SiC 復合材料中Al3C4的產生, 增加Al/SiC 復合材料中加強粒子的濕潤性在Al/SiC 復合材料中會產生Al3C4 ,當使用金屬焊料時焊接強度降低金屬惰氣保護焊接在焊接時可使用金屬焊料以減少Al/SiC 復合材料中Al3C4的產生, 增加Al/SiC 復合材料中加強粒子的濕潤性在Al/SiC 復合材料中會產生Al3C4 ,當使用金屬焊料時焊接強度降低電子束焊接在真空環(huán)境中可高速焊接在Al/SiC 復合材料中會產生Al3C4 ,焊接需要在真空環(huán)境下進行激光束焊接不需要真空環(huán)境即可高速焊接在Al/SiC 復合材料中會產生Al3C4 ,焊接需要有保護氣體接觸電阻焊接可高速焊接有

56、可能產生加強顆粒偏析,對焊接工件的幾何形狀有限制固相連接擴散連接為了提高連接性能可使用中間層不發(fā)生顆粒2基體間反應過量擴散會導致連接性能下降過渡液相擴散連接為了提高連接性能可使用中間層,不發(fā)生顆粒-基體間反應有可能形成有害的金屬間化合物;工作效率低; 價格昂貴摩擦焊接不發(fā)生顆粒-基體間反應; 在熱處理后可達到很高的連接強度; 適于連接兩種不同的材料需去除毛刺磁勵電弧對頭焊接適于連接管形工件只能焊接限定形狀的工件; 焊接后需對焊接部位進行處理(內部和外部)釬焊可用于連接兩種不同的材料焊接需要惰性氣體或真空環(huán)境膠粘連接加工時所需溫度相對較低為獲得較高強度需表面預處理2022年3月7日星期一545.

57、3.3 5.3.3 新型新型MMCs MMCs 連接技術連接技術5.3.3.1 等離子噴涂法 等離子噴涂技術是一種非常適于MMCs連接的新技術，噴涂過程熱輸入非常小，焊接基底材料不發(fā)生熔化,因此, 接縫處幾乎沒有脆性Al3C4 相、孔洞以及HAZ 區(qū)的形成, 如果選擇合適的噴涂粉末、在適當的工藝條件下, 接縫處的機械性能可達到與焊接的基底復合材料接近的水平。等離子噴涂技術的工藝過程示意圖見圖5-7。2022年3月7日星期一551.噴涂前的預熱處理和噴涂后的加強處理 噴涂連接MMCs 接頭的拉伸強度測試表明,焊接基底材料的預熱處理十分必要, 它可以防止熱噴涂后材料迅速冷卻, 降低基底與熱噴涂材料

58、之間熱脹冷縮的差別, 降低焊接基底材料的濕度, 防止熔融的噴涂金屬顆粒與基底材料牢固粘結。 圖圖5-7MMCs 的等離子噴涂連接工藝示意圖的等離子噴涂連接工藝示意圖 2022年3月7日星期一562.噴涂參數與噴涂粉末的選擇 噴涂參數主要包括噴涂距離、噴涂坡口角度、噴涂槍的移動速度等, 研究表明: 噴涂距離及坡口角度對于噴涂接頭的強度影響較大, 見圖5-8、5-9。坡口角度越大, 接頭的粘結強度越大, 原因在于隨坡口角度增大, 顆粒撞擊力增大, 從而沉積涂層的孔洞數量減少, 一般坡口角度選擇130, 噴涂距離選擇95 mm。 2022年3月7日星期一57圖圖5-8坡口角度對等離子噴涂接頭坡口角度

59、對等離子噴涂接頭UTS 的影響的影響噴涂粉末噴涂粉末: 熱處理熱處理2014Al/15%SiCp Osprey 粉末粉末基底基底: 6061Al/ SiCp ; 預熱溫度預熱溫度: 200 噴涂距離噴涂距離: 95 mm 圖圖5-9噴涂距離對等離子噴涂接頭噴涂距離對等離子噴涂接頭UTS 的影響的影響 噴涂粉末噴涂粉末: 熱處理熱處理2014Al/ 15 %SiCp Osprey 粉末粉末 基底基底: 6061Al/ SiCp ; 預熱溫度預熱溫度: 200 ; 噴涂距離噴涂距離: 95 mm 2022年3月7日星期一585.3.3.2 5.3.3.2 快速紅外連接法快速紅外連接法(RIJ )(

60、RIJ )快速紅外連接法可用于鈦基復合材料SCS-6121S , 21S是Ti-15Mo-2. 7Nb-3Al-0. 25Si %, 加強纖維為147m的SiCf , 表面有厚度為3m 的富碳涂層。焊料是厚度為17m 的METGLAS 釬焊箔5003 , 成分為Ti-15Cu-15Ni %。首先將放置好焊料的鈦基MMCs樣品置入紅外爐中, 通過碳螺絲固定。連接過程不需要附加壓力, 加工溫度通過接頭處的鎳鉻2鎳鋁合金熱電偶控制, 在熱循環(huán)之前以及整個加工過程中均需通入氬氣至加熱室防止氧化, 達到預定加熱溫度需要2030 s , 加熱溫度在1100 , 加熱時間為530 s , 連接后樣品快速冷卻