技能培训资料:金属基体复合材料知识.docx
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1、金属基体复合材料(MMC)是一种在名目多的结构和热控制调节方面有广泛应用潜力的材料。金属基体复合材料所能提供的工作极限温度高于与之对应的基体金属,而且通过改造能提高它们的强度、刚度、热导率、耐磨料磨损性、抗蠕变性或尺寸稳定性。与聚合物基体复合材料不同,它们还具有阻燃性,也不会在真空中脱气,而且遭受有机流体如燃料和溶剂的腐蚀也最小。在一种MMC中,基体相是一种单一合金(通常为低密度非铁合金),其增强剂由高性能的碳、金属或陶瓷添加剂组成。增强金属间化合物如钛、银和铁的铝化物也正在开发中。无论以连续或断续为特征的增强剂都是由(体积分数)10%至70%的复合材料构成。连续的纤维或细丝(f)增强剂包括石
2、墨、碳化硅(SiC).硼、氧化铝(AI203)和难熔金属。断续增强剂主要由须状(W)的SiC、微粒状(P)的SiC、AI2O3和二硼化钛(TiB2)组成,还有短的或切断的AI203或石墨的纤维(C)o1铝基体复合材料有关MMC的大部分工业化工作都集中在作为基体金属的铝。由于重量轻、环境的适应性和良好力学性能的结合使铝合金非常普遍,这些性能还使铝能很好地作为基体金属使用。铝有足够高的熔点以满足许多使用要求,然而又有足够低的熔点使复合材料的制造具有合理的便利性。铝还能适应各种不同的增强剂。虽然很多早期有关铝MMC的工作都致力于连续纤维的类型,但是现在的许多工作则都集中在断续增强(微粒或须状)的铝M
3、MC,这是由于它们较为容易制造、较低的生产成本以及相对的各向同性性能。Ol.铝MMC的代号体系由于铝MMC的生产远多于所有其他基体合金所组合的MMC,铝业协会(AIUminUmAssociation或AA)为MMC制订了一套标准代号体系,现已为美国国家标准协会所采用。ANSI35.5-1992规定了铝MMC识别如下:例如,2124/SiC25w表示在AA登记的体积25%的须状碳化硅增强的合金2124,7075/AI203/IOp表示在AA登记的体积10%的微粒状氧化铝增强的合金7075,6061/SiC47f表示在AA登记的体积47%的连续碳化硅纤维增强的合金6061以及A356C/05C是一
4、种在AA登记的体积5%的切断石墨纤维增强的铸造合金。02断续铝MMC在断续增强铝复合材料中,最常用的增强剂材料是SiC和AI2O3,尽管在一些专门的用途里也使用氮化硅(Si3N4)、TiB2和石墨。例如,铝石墨合金由于其优异的减摩、抗磨和抗咬死的特征,而被开发用于摩擦学的用途。断续铝MMC的工艺方法包括不同的铸造工艺:液态金属的浸渗、喷涂沉积和粉末冶金。增强剂对性能的影响。MMC的力学性能除了基体材料的力学性能之外,还取决于分散相(增强剂)的数量、大小、形状和分布,以及界面的性质。按照定义一种复合材料一般要求一定大小(lum)的分散相数量(体积分数1%),不像在分散强化材料里,只是起控制位错移
5、动的作用而是要用以承受载荷。分散相的形状对于决定其承载能力是如此的重要,以致复合材料要据此进行分类:有连续和断续纤维的纤维增强复合材料;微粒状或须状增强的复合材料。其形状是用长宽比表征的。在连续纤维复合材料中载荷直接作用于基体和纤维上。在断续纤维复合材料或微粒增强复合材料中,载荷是通过基体传递到分散体上。利用数学模型可以预测MMC的性能,这需要输入有关其组分性能和几何的参数。然而一般来说,硬微粒增强剂(如SiC)对断续铝MMC有关力学和物理性能的影响归纳如下:抗拉强度和屈服强度均随增强剂含量比例的增加而提高(应当指出的是这些性能随软颗粒如石墨的增加而降低)。 断裂韧度和塑性(伸长率和至失效时的
6、应变)随增强剂体积比例的增加而降低。 弹性模量随增强剂体积比例的增加而提高; 热导率和电导率及热膨胀系数都随增强剂体积比例的增加而降低。03.铸造铝MMC在搅拌浇铸(或混合/涡旋)过程中,将经预处理和预制的增强剂填充相倒入连续搅拌的熔化基体里,然后浇铸进入砂型、金属型或压力模铸型。在惰性气体并混有ArSF6混合气体的遮蔽下熔化,并以此进行助熔和脱气,这些对于防止气体的吸入是必不可少的。还可以利用超声波作用或者借助于往返搅棒、离心或失重工艺促其混合。增强剂包括1020m大小的SiC或AI2O3微粒,其体积含量从10%30%铸铝MMC的发展促进了汽车工业。其目前和潜在的应用包括制动转盘和制动鼓、制
7、动钳、刹车片钢背以及缸套。04.挤压铸造铝MMC挤压铸造是一种熔化金属在作用于密闭的模具的压力下固化的铸造工艺,其模具置于液压机的平板之间。熔化金属的作用压力及其与模具表面的瞬间接触会产生一种热量快速传递的条件,以此产生无疏松、细晶粒的铸件,而且其力学性能接近锻压产品的性能。铝MMC的挤压铸造就是先将一个疏松陶瓷预成形件置于经预热的模具之内,随后让液态金属注入,并施以压力。这时液态金属借助压力浸渗入疏松的陶瓷预制件内,以此形成一种致密的金属陶瓷复合材料。挤压铸造之所以特别受人重视是因为这种工艺将所用的材料和能量降低到最低限度,生产出净形状的零件,而且具有一种可供选择增强剂的能力。现已生产断续和
8、连续的两种增强剂,含量高达(体积分数)45%的铝铜、铝硅和铝钵增强合金。05.流变铸造铝MMC流变铸造也称之为复合铸造,它类似于金属搅拌方法,但与将微粒搅拌入完全的液态金属不一样,它是在半固体的(触变性的)状态下进行搅拌的,随后在压力下进行浇铸。SiC、AI2O3、TiC.Si3N4、石墨、云母、玻璃、矿渣、氧化镁和碳化硼的微粒和断续纤维都能借助这种技术被加入到强烈搅拌并部分固化的铝合金熔浆中。06.P/M铝MMC铝MMC的粉末冶金工艺分为微粒状和须状的SiC,尽管AI2O3的颗粒与Si3N4的晶须也能使用。其工艺过程包括:将气体雾化基体合金与粉末状的增强剂相混合;将均质混合物压制成大约80%
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