铸造金属凝固原理第13章 金属基复合.ppt

第13章 金属基复合材料的凝固 Solidification of metal-matrix composites13.1 概述n复合材料(Composite)：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成的一种多相固体n组成：连续基体相+强化相n复合材料的发展n分类按基体性质：树脂基、金属基、陶瓷基；按强化相来源：自生复合材料、人工复合材料按强化相形态分类：纤维增强、颗粒增强、板状增强体等复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)a)层叠复合层叠复合 b)b)连续纤维复合连续纤维复合 c)c)细粒复合细粒复合 d)d)短切纤维复合短切纤维复合n金属基复合材料金属基自生复合材料：偏晶和共晶材料，控制凝固过程金属基人工复合材料：长短纤维和颗粒强化相n金属基自生复合材料的优势相界面键合力强；相界面处于低能状态，热稳定性好；强化相凝固时析出，分布均匀，不污染材料；经济、应用前景广n金属基复合材料的成形技术液相法；铸造、射压固相法：粉末冶金、机械化合金；固液法：流变铸造、液态模锻1金属基纤维强化复合材料n对增强纤维的要求：密度小、抗拉强度高、高温稳定、不与金属基体形成脆性相n纤维形状：束状（一维增强）、毡状（二维增强）、块状（三维增强）。

n预制纤维：一般将超细纤维进行一维定向排列或纺织成二维或三维的叠层排列，以制成一维和多维复合材料纤维的强度一般远大于基体材料，如SiC晶须达70GMPa，弹性模量大于6000GMPa因此它是复合材料中的主要受力单元13.2 金属基人工复合材料的凝固n成形方法一般采用液相法：熔融浸透法；预成型体加压铸造；边加压边铸造；真空铸造n合金液在预制纤维体中的凝固遵循前面所阐述的合金凝固的一般规律纤维表面与合金是否润湿 纤维即成为结晶核心，按照异质成核的规律进行结晶无法获得符合要求的复合材料影响凝固过程中固-液界面的形态及晶体的生长方向 2金属基颗粒增强复合材料n颗粒增强物的种类和要求种类：氧化物、碳化物、氮化物等性能要求：比基体更好的耐热性、耐磨性、减振性、高热稳定性、低成本n影响颗粒在母相中分布的因素n制备和成形方法液态搅拌铸造成形两个阶段：液态搅拌制备复合材料浇入铸型重点与难点：搅拌制取过程改进：真空制取、多级倾斜搅拌、提高转速,改善颗粒与合金润湿性半固态复合铸造法将温度控制在固液相线之间进行搅拌，同时将增强颗粒徐徐加入含有一定固相粒子（通常4060%）的金属液中，可有效防止增强颗粒的沉降并减少吸气。

喷射复合铸造法方法：以Ar、N等非活性气体作为载体，把增强颗粒喷射于浇注的金属液流上，随着液流的翻动使颗粒得到分散，然后浇入铸型中凝固优点：适合Al、Mg及钢铁高熔点合金复合材料n金属基颗粒增强复合材料的凝固特点形核长大；颗粒的润湿性影响凝固；凝固速度影响颗粒的分布固液界面形状的影响 大多数复合材料中颗粒分布大多数复合材料中颗粒分布不均匀不均匀陶瓷颗粒在基体中是否均匀陶瓷颗粒在基体中是否均匀分布分布取决于颗粒与凝固界面取决于颗粒与凝固界面的相互作用的相互作用13.3 自生复合材料的凝固n自生复合材料增强相在凝固中析出；增强相定向排列、高强度低维度；共晶合金的特点共晶或亚共晶定向凝固的获得1共晶自生复合材料对共晶系的要求n共晶系中一相为高强相；n基体具有较高的断裂韧度；n定向凝固时能够获得定向排列的规则组织相界面的匹配相界面性质对共晶的性能起着重要作用正常组织 相界面匹配：两相界面张力小，有助于平界面稳定小的界面张力（即低的界面能）是自生复合材料具有高的稳定性的条件，低能界面由合适的原子互相匹配和两相之间原子密度几乎相等的择优取向的晶面组成片状共晶中，二相间有着一定择优取向，即 ，表明共晶两相长大方向在某一晶体学方向上是优先的，这种择优取向是由系统自动减小其总界面能所致。

起始段常常难以获得规则排列的共晶复合材料结构，在凝固开始时，这种择优取向表现得还比较弱在高温缓慢生长条件下，在系统要求降低界面能的趋势推动下，择优取向的晶团生长时需要的过冷度较小，使这些晶团中的两相逐步转向有利的择优取向，使所有晶团都沿着一个方向生长凡是有利于最小固-液界面能的晶向均为长大的优先取向n界面两相的匹配与性能的关系相界面处匹配越好，两相晶格常数越相近通常共晶复合材料中相界是部分共格这种部分共格界面有畸变存在，它们有效地阻止位错的运动，表现出在低、中温工作条件下高的力学性能相界匹配良好的共晶复合材料，有高的界面稳定性，因而具有高的高温稳定性和好的高温抗蠕变性能某些共晶材料在接近熔点温度下（即0.9倍的熔点温度），相界仍处于稳定状态（即包括化学稳定和结构稳定），成为不可多得的高温下使用的工程材料上述性能不仅是由低界面能带来的，而且是出于缓慢定向凝固所获得的相间化学平衡所带来的晶界或相界，在常温下是强化区，因此通过细化晶粒组织来提高材质的强度性能但在高温下，晶界或相界变得很不稳定，是弱化区，高温变形或断裂都是沿晶界产生的为了提高晶界的稳定性，普通高温合金（）中加入较多的合金元素，如Mo等，在晶界成形骨骼状的高温稳定性好的碳化物 相，阻碍晶界的滑移和裂纹的扩展。

但其效果是不显著的，没有从根本上提高晶界或相界的稳定性而自生复合材料依靠两相间最小的界面能，使其从本质上提高了界面的高温稳定性共晶自生复合材科强化相的形态 n形态：共晶自生复合材料中强化相的形态有片状和纤维状（或棒状）n特点：片状共晶的相界面往往保持着最优取向关系，相界面上共格区最大，位错区最小，因而具有低的界面能棒状共晶从微观上看并不是几何圆柱状，而是多面体，相界是由几组晶面组成，不可能任一组界面都和基体持有良好的共格程度，因而，棒状共晶平均相界能较高n性能：棒状共晶具有良好的常温性能，而片状共晶则高温性能较好n形成：强化相的形态是由相的本性决定的，同时也受凝固条件的影响如温度梯度、第三组元共晶自生复合材料凝固过程的控制普通凝固条件两相任意取向，形成宏观不规则的共晶团定向凝固基本条件：平界面生长足够的纯度判据：凝固速度的控制在保证平界面稳定的前提下，应尽量提高凝固速度，以得到细的共晶组织规则共晶Ni-W共晶合金定向凝固时W相呈纤维状排列2非共晶自生复合材料n共晶合金的局限n非共晶定向凝固三个阶段n稳定生长的判据n成分、凝固条件对组织的影响n亚共晶合金的局限。