5第五章 金属基复合材料的成形加工.ppt

第第5 5章章 金属基复合材料的金属基复合材料的成形加工成形加工江苏大学江苏大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院2/28/20231本章主要内容本章主要内容铸造铸造塑性成形塑性成形焊接焊接切削加工切削加工连接连接晶须晶须,颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料 了解金属基复合材料成形加工技术的种类、特点，掌握铝基了解金属基复合材料成形加工技术的种类、特点，掌握铝基复合材料的轧制塑性和挤压塑性成形技术。复合材料的轧制塑性和挤压塑性成形技术。基本要求基本要求:2/28/202325.1 5.1 铸造成型铸造成型5.1.1 5.1.1 铸造成型方法与特点铸造成型方法与特点按增强材料和金属液体按增强材料和金属液体的混合方式不同的混合方式不同正正压压铸铸造造拌拌铸铸造造负负压压铸铸造造2/28/202335.1.1.1 5.1.1.1 搅拌铸造成型搅拌铸造成型利用合金在固液温度利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗流变性质，将增强颗粒搅入半固态熔液中，粒搅入半固态熔液中，依靠半固态金属的粘依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因密性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备复度差而浮沉来制备复合材料。合材料。通过搅拌器的旋转运通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇布在液体中，然后浇注成型。此法所用设注成型。此法所用设备简单，操作方便备简单，操作方便,但增强颗粒不易与基但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。材料的吸气较严重。搅拌铸搅拌铸造成型造成型2/28/20234 正压铸造成型可按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。5.1.1.2 5.1.1.2 正压铸造成型正压铸造成型离心铸造法是在离心作用离心铸造法是在离心作用下将金属液体渗入增强材下将金属液体渗入增强材料间隙形成复合材料的一料间隙形成复合材料的一种方法。种方法。挤压铸造是按零件的形状挤压铸造是按零件的形状制作增强物预制块，将预制作增强物预制块，将预制块放入铸型制块放入铸型,在重力下在重力下浇入液态金属或合金，液浇入液态金属或合金，液体在压头作用下渗入预制体在压头作用下渗入预制块。块。2/28/202355.1.1.3 5.1.1.3 负压铸造成型负压铸造成型将将预预制制体体放放入入铸铸型型后后，将将铸铸型型一一端端浸浸入入金金属属液液中中，而而将将铸铸型型的的另另一一端端接接真真空空装装置置，使使液液态态合合金金吸吸入入预预制制体体内内的的一一种种方法。方法。破坏金属液体表面的氧化破坏金属液体表面的氧化层以改善液体与增强颗粒层以改善液体与增强颗粒的浸润性，借助预制体内的浸润性，借助预制体内的毛细管力作用使金属液的毛细管力作用使金属液体引入增强材料间隙。体引入增强材料间隙。自浸透法自浸透法真空吸铸法真空吸铸法2/28/202365.1.2 5.1.2 铸铸造造成成型型的技术问题的技术问题 1.1.增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒与金属熔体的润湿性 2.2.增强颗粒分布均匀性增强颗粒分布均匀性 3.3.增强颗粒与基体金属的界面结构增强颗粒与基体金属的界面结构 4.PRMMC 4.PRMMC 的凝固过程的凝固过程2/28/20237 增增强强颗颗粒粒进进入入基基体体金金属属熔熔体体，并并能能很很好好地地分分散散，首首要要的的条条件件是是两两者者必必须须相相互互润润湿湿。以以铝铝合合金金为为例例，常常用用的的增增强强颗颗粒粒Al2O3、SiC 与与Al 的的润润湿湿性性都都比比较较差差，它它们们的的接接触触角角大大于于90o。而而有有些些增增强强颗颗粒粒表表面面存存在在的的氧氧化化物物，由由于于其其吸吸附附气气体体、水水分分等等，使使得得增增强强颗颗粒粒与与金金属属基基体体的的润润湿湿性性变变得更差。得更差。1.1.增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘度，热传导率，液体的对流，界面前沿的温度梯度等。度，热传导率，液体的对流，界面前沿的温度梯度等。对于金属对于金属/陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液/颗粒系统的界面能大得多，此时界面能的作用占主导地位。颗粒系统的界面能大得多，此时界面能的作用占主导地位。在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（0.5mm0.5mm）可忽）可忽略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了下图所示的相互作用模型下图所示的相互作用模型 2/28/20238909090,颗粒被排斥颗粒被排斥当当PLPLSPSP时，时，9090，颗粒被凝固界面捕捉，颗粒被凝固界面捕捉,结合更稳定。结合更稳定。当当PLPLSPSP时，时，9090，颗粒将被凝固界面所排斥，颗粒将被凝固界面所排斥.SP，PL，SL分别代表固相分别代表固相/颗粒、颗粒颗粒、颗粒/液相、固相液相、固相/液相之间的界面能，液相之间的界面能，三者有如下关系三者有如下关系:2/28/202391 12 23 34 4增强增强增强增强颗粒颗粒颗粒颗粒表面表面表面表面涂层涂层涂层涂层金属基金属基金属基金属基体中加体中加体中加体中加入某些入某些入某些入某些合金元合金元合金元合金元素素素素用某些用某些用某些用某些盐对增盐对增盐对增盐对增强颗粒强颗粒强颗粒强颗粒进行预进行预进行预进行预处理处理处理处理对增强对增强对增强对增强颗粒进颗粒进颗粒进颗粒进行超声行超声行超声行超声清洗或清洗或清洗或清洗或预热处预热处预热处预热处理理理理为解决增强颗粒与金属基体润湿性差的问题，为解决增强颗粒与金属基体润湿性差的问题，为解决增强颗粒与金属基体润湿性差的问题，为解决增强颗粒与金属基体润湿性差的问题，可采取以下措施：可采取以下措施：可采取以下措施：可采取以下措施：2/28/2023102.2.2.2.增强颗粒分布均匀性增强颗粒分布均匀性增强颗粒分布均匀性增强颗粒分布均匀性 在外加增强颗粒制备在外加增强颗粒制备PRMMC PRMMC 的铸造法中，增强的铸造法中，增强颗粒的密度一般与基体金属相差较大颗粒的密度一般与基体金属相差较大,且两者互不且两者互不润湿，因而颗粒在金属基体中容易上浮、下沉及润湿，因而颗粒在金属基体中容易上浮、下沉及偏聚。偏聚。Stokes Stokes 质点上浮速度表达式为：质点上浮速度表达式为：式中式中:金属液的粘度金属液的粘度,(,(papas s)；r r 增强颗粒半径，增强颗粒半径，m m；g g 重力加速度，重力加速度，9.8(9.8(m ms s-2)-2)；密度，密度，(kgkgm m-3)-3)。2/28/2023113 3增强颗粒与基体金属的界面结构增强颗粒与基体金属的界面结构1 1增强体与基体互不反应亦互不溶解增强体与基体互不反应亦互不溶解2 2增强体与基体不反应但能互相溶解增强体与基体不反应但能互相溶解3 3增强体与基体互相反应增强体与基体互相反应-界面反应物界面反应物 PRMMC 的界面问题一直是本领域研究的重大技术问题。PRMMC 的界面有3 种类型：2/28/2023124.PRMMC 4.PRMMC 的凝固过程的凝固过程 PRMMC PRMMC 的凝固过程由于增强体的存在其温度场和浓度场、晶的凝固过程由于增强体的存在其温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。在非平衡凝固条件体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。在非平衡凝固条件下下,这些变化均将对这些变化均将对PRMMC PRMMC 的组织和性能产生明显影响。对增强的组织和性能产生明显影响。对增强体在凝固过程中常被凝固界面推移到枝晶间和金属最后凝固区域体在凝固过程中常被凝固界面推移到枝晶间和金属最后凝固区域的现象进行研究发现如果热物理参数能满足以下公式的现象进行研究发现如果热物理参数能满足以下公式:式中：式中：M M ,p p 分别为基体和增强颗粒的导热系数（分别为基体和增强颗粒的导热系数（WmWm-1-1-1-1）；C CM M ,C,Cp p 分别为基体和增强颗粒的比热分别为基体和增强颗粒的比热，（JkgJkg-1-1-1-1）M M ,p p 分别为基体和增强颗粒的密度分别为基体和增强颗粒的密度，(kgm(kgm-3-3)。2/28/2023135.1.3 5.1.3 PRMMCPRMMC的原位反应合成技术的原位反应合成技术 外加增强颗粒与金属基体复合的方法，不能从根本上解外加增强颗粒与金属基体复合的方法，不能从根本上解决铸造成型法存在的润湿性差的问题。近年来，发展起来的决铸造成型法存在的润湿性差的问题。近年来，发展起来的一种制备一种制备PRMMCPRMMC的新型方法的新型方法原位反应合成法。原位反应合原位反应合成法。原位反应合成法的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化成法的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应合物之间的化学反应,在金属基体内原位生成在金属基体内原位生成1 1 种或几种高硬种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。的。2/28/202314该工艺具有如下特点：该工艺具有如下特点：(1)(1)增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力 学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度高。相容性不良的问题，界面结合强度高。(2)(2)通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。大小、分布和数量。(3)(3)省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，工省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，工艺简单，成本较低。艺简单，成本较低。(4)(4)从液态金属基体中原位生成增强颗粒，可用铸造从液态金属基体中原位生成增强颗粒，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净形构件。方法制备形状复杂、尺寸较大的近净形构件。(5)(5)在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。2/28/202315 图图5-1 5-1 DuralconDuralcon公司生产的各种铸件公司生产的各种铸件 图图5-2 5-2 真空铸造法制造的连续真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零件纤维增强镁基复合材料零件 图5-1是Duralcon公司生产的各种铸件。对于连续纤维增强金属基复合材料零件的制造也可采用真空吸铸、真空压力铸造的方法。如氧化铝纤维增强镁基复合材料，可选用真空铸造的方法制造。图5-2为真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零件。2/28/202316 表表5-15-1和表和表5-25-2分别列出了铝基复合材料室温和高温的拉伸性能。分别列出了铝基复合材料室温和高温的拉伸性能。5.2 5.2 塑性成形塑性成形5.2.15.2.1铝基复合材料的拉伸塑性铝基复合材料的拉伸塑性复合材料复合材料状态状态体积分数体积分数/%0.2MPabMPa伸长率伸长率%EGPa生产商生产商Al2O3p/6061AlT610%2963387.581Duralcan,AlcanT615%3193595.487Duralcan,AlcanT620%3593792.198Duralcan,AlcanSiCp/6061AlT6104054607.098DWAT6154204205.0105DWAT6204304304.0115DWAAl2O3p/2024AlT6104835173.384Duralcan,AlcanT6154765032.392Duralcan,AlcanT6204835031.0101Duralcan,AlcanSiCp/2024AlT67.840061057100BritishPetroleumT62049063024116BritishPetroleumT6254055603105DWASiCp/7075AlT65115556601295Cospray，AlcanSiCp/7049AlT615598643290Cospray，AlcanSiCp/7090AlT620665735105DWA表表5-1 5-1 颗粒增强铝基复合材料的力学性能颗粒增强铝基复合材料的力学性能 2/28/202317表表5-2 5-2 复合材料与基体合金的高温力学性能复合材料与基体合金的高温力学性能材料材料颗粒颗粒尺寸尺寸m体积体积分数分数%200400bMPa0.2MPa伸长率伸长率%bMPa0.2MPaAlNp/6061Al10.84404223725.075515.96061Al22618914.5292444.3Al2O3p/6061Al20.152032923524.9101437.6Al2O3p/6061Al20.153030021932.0176946.1Al2O3p/6061Al10.4203663122.889664.41 1 压铸态，压铸态，T6T6处理；处理；2 2挤压态，挤压态，T4T4处理。处理。2/28/2023185.2.2 5.2.2 金属基复合材料的高温压缩变形金属基复合材料的高温压缩变形 复合材料高温压缩变形的特点存在明显的应变软化现象。复合材料高温压缩变形的特点存在明显的应变软化现象。高温压缩变形的应力一应变曲线上有明显的峰值，即当压缩高温压缩变形的应力一应变曲线上有明显的峰值，即当压缩变形量大到一定程度以后，开始出现应变软化现象。晶须变形量大到一定程度以后，开始出现应变软化现象。晶须/Al/Al复合材料高温压缩变形后，其组织结构的最明显特点是复合材料高温压缩变形后，其组织结构的最明显特点是晶须发生了有序分布，即晶须产生了垂直于压缩方向的定向晶须发生了有序分布，即晶须产生了垂直于压缩方向的定向排列。压缩变形时所表现出的应变软化行为与晶须有序化有排列。压缩变形时所表现出的应变软化行为与晶须有序化有关。即当晶须垂直于压缩方向排列时，晶须所承受的载荷下关。即当晶须垂直于压缩方向排列时，晶须所承受的载荷下降，于是表现出应变软化现象。降，于是表现出应变软化现象。金属基复合材料的压缩强度可由下式给出：金属基复合材料的压缩强度可由下式给出：2/28/202319 式中，（l/d）为晶须的平均临界长径比；i为晶须取向同压缩方向的夹角；m为基体合金的流变应力；Vf为晶须的体积分数。复合材料的高温压缩变形时，压缩过程中晶须长轴的取向分布函数可以用下式给出：式中A、B均为应变量的线性函数。并进一步推导出复合材料高温压缩流变应力近似表达式：（5-4）（5-3）2/28/202320 复合材料拉伸过程中的晶须承受一定的力矩，在该力矩的作用下晶须将发生转动。其晶须转动的表达式为:（5-5）（弹性阶段）（弹性阶段）（塑性阶段）（塑性阶段）（5-6）（5-7）式中，为晶须转动的角度；为复合材料所受的拉伸应力；为晶须长轴与拉伸方向的夹角；为复合材料的拉伸应变。2/28/202321按材料温度分类：按材料温度分类：热轧热轧 冷轧冷轧按轧机排列方式分类按轧机排列方式分类单机架轧制、单机架轧制、半连续轧制半连续轧制连续轧制连续轧制 轧制是指轧件由摩擦轧制是指轧件由摩擦力拉进在旋转的轧辊间，力拉进在旋转的轧辊间，借助于轧辊施加的压力，借助于轧辊施加的压力，有时伴以热作用，使材有时伴以热作用，使材料发生塑性变形的过程。料发生塑性变形的过程。通过轧制使材料具有一通过轧制使材料具有一定的形状、尺寸和性能。定的形状、尺寸和性能。5.2.3 5.2.3 铝基复合材料的轧制塑性铝基复合材料的轧制塑性2/28/202322温度温度表表5-35-3为为25%SiCp/Al25%SiCp/Al复合复合材料经过材料经过16:116:1挤挤压后，经过三道压后，经过三道轧制后的致密度。轧制后的致密度。变形量变形量表表5-45-4为为2525 SiCpSiCp/Al/Al复合材复合材料经过料经过1616：1 1挤挤压后，在预热温压后，在预热温度分别为度分别为350350和和450450进行的进行的不同轧下量轧制不同轧下量轧制后的致密度。后的致密度。预热预热温度温度对挤压比为对挤压比为25:125:1的的1515SiCpSiCp/Al/Al复合材料预热复合材料预热350350和和500500进进行轧制后拉伸强行轧制后拉伸强度分布为度分布为230MPa230MPa和和245MPa245MPa。轧制比轧制比 表表5-55-5为为SiCpSiCp/Al/Al复合材料经过挤复合材料经过挤压比压比25:125:1挤压后，挤压后，在在450450下进行下进行的不同轧下量轧的不同轧下量轧制后的拉伸强度。制后的拉伸强度。表表5-3 5-3 不同温度轧制后不同温度轧制后2525SiCpSiCp/Al/Al复合材料的致密度复合材料的致密度预热温预热温预热温预热温/350350400400450450500500550550致密度致密度致密度致密度/98.898.899.099.099.299.299.499.499.399.3 表表5-4 255-4 25SiCpSiCp/Al/Al复合材料在不同轧下量轧制后的致密度复合材料在不同轧下量轧制后的致密度变形量变形量变形量变形量/50507575 8585致密（致密（致密（致密（350350）99.099.0 98.998.9 98.998.9致密（致密（致密（致密（450450）99.099.0 99.299.2 99.299.2表表5-5 255-5 25SiCpSiCp/Al/Al复合材料在不同轧下量轧制后的拉伸强度复合材料在不同轧下量轧制后的拉伸强度轧制变形量轧制变形量轧制变形量轧制变形量/5050 7575 8585拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度/MPaMPa 245245 247247 2442442/28/2023235.2.4 5.2.4 铝基复合材料的挤压塑性铝基复合材料的挤压塑性 在诸多塑性成形手段（挤压、轧制、锻造、拉拔等）中在诸多塑性成形手段（挤压、轧制、锻造、拉拔等）中挤压是二次加工最为常用的手段之一，因此挤压是这类复合挤压是二次加工最为常用的手段之一，因此挤压是这类复合材料研究的重点。由于金属基体中含有一定体积分数的增强材料研究的重点。由于金属基体中含有一定体积分数的增强物物(晶须、颗粒晶须、颗粒)，大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成，大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成形困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需形困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需进行相应的改进，如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。进行相应的改进，如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。挤压时，影响材料在模具中流动的因素很多，例如挤压方法、挤压时，影响材料在模具中流动的因素很多，例如挤压方法、制品形状和尺寸、合金种类、模具的结构与尺寸、工艺参数、制品形状和尺寸、合金种类、模具的结构与尺寸、工艺参数、润滑条件等。影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时模具润滑条件等。影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时模具及坯料的预热温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂。及坯料的预热温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂。2/28/202324（1 1）润滑剂）润滑剂 润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。摩擦力越小则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附摩擦力越小则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附加拉应力就越小。加拉应力就越小。（2 2）挤压温度）挤压温度 最佳挤压温度的选择应考虑以下因素：金属的塑性较最佳挤压温度的选择应考虑以下因素：金属的塑性较好；变形抗力尽可能小；型材具有最高强度；较高劳动生好；变形抗力尽可能小；型材具有最高强度；较高劳动生产率和较低劳动成本。为了保持挤压制品的整体性，在挤产率和较低劳动成本。为了保持挤压制品的整体性，在挤压过程中，塑性变形区的温度必须与压过程中，塑性变形区的温度必须与SiCpSiCp/Al/Al复合材料塑复合材料塑性最好的温度范围相适应。随着复合材料坏料及模具预热性最好的温度范围相适应。随着复合材料坏料及模具预热温度的升高，挤压力显著降低，如表温度的升高，挤压力显著降低，如表5-65-6所示。温度每升所示。温度每升高高5050，最大挤压力降低，最大挤压力降低101020MPa20MPa。2/28/202325（3 3）挤压比挤压比 在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压力和变形功都是随变形程度的增加而增大。变形程度可力和变形功都是随变形程度的增加而增大。变形程度可以采用不同的方法来表示，采用比较多的是用断面收缩以采用不同的方法来表示，采用比较多的是用断面收缩率率来表示。来表示。表表5-6 5-6 SiCpSiCp/Al/Al复合材料不同温度下的最大挤压力复合材料不同温度下的最大挤压力温度温度/350350 400400 450450 500500最大挤压力最大挤压力/MPaMPa 280280 265265 248248 2352352/28/202326（4 4）挤压速度）挤压速度 SiCp/A1SiCp/A1复合材料由于复合材料由于SiCSiC颗粒的加入使基体的变形抗力增颗粒的加入使基体的变形抗力增加，因此，加，因此，SiCpSiCp/Al/Al复合材料的挤压力比基体要高，容易产生复合材料的挤压力比基体要高，容易产生第一类或第二类裂纹而使挤压制品表面发生碎裂，但可以通第一类或第二类裂纹而使挤压制品表面发生碎裂，但可以通过降低挤压速度使过多的热量从高温加工的剪切变形区扩散过降低挤压速度使过多的热量从高温加工的剪切变形区扩散出去，使该问题得以解决。但是，如果挤压速度过低，则又出去，使该问题得以解决。但是，如果挤压速度过低，则又会出现第三类低速撕裂现象。会出现第三类低速撕裂现象。式中，式中，为挤压前坯料的横截面积；为挤压前坯料的横截面积；F F1 1为挤压棒材的横截面积。为挤压棒材的横截面积。（5-8）2/28/202327（5 5）SiCSiC颗粒体积分数颗粒体积分数 图图5-35-3是是SiCpSiCp/Al/Al复合材料经过相同挤压比复合材料经过相同挤压比25:125:1后后SiCSiC颗粒体颗粒体积分数对最大挤压力的影响曲线。从图中可以看出，最大挤压积分数对最大挤压力的影响曲线。从图中可以看出，最大挤压力随着力随着SiCSiC颗粒体积分数的增加而增加。颗粒体积分数的增加而增加。图图 5 53 3 复合材料中复合材料中SiCSiC颗粒的体积分数对最大挤压力的影响颗粒的体积分数对最大挤压力的影响2/28/202328(6)(6)热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响 在挤压过程，金属基复合材料的显微组织除了会发生纤维在挤压过程，金属基复合材料的显微组织除了会发生纤维断裂外，在某些情况下还会形成平行于挤压方向的断裂外，在某些情况下还会形成平行于挤压方向的“陶瓷富集陶瓷富集带带”(Ceramic Enriched Bands)(Ceramic Enriched Bands)，如图，如图5-45-4所示。所示。图图5-4 5-4 挤压形成的颗粒富集带挤压形成的颗粒富集带2/28/2023295.2.5 5.2.5 金属基复合材料的蠕变性能金属基复合材料的蠕变性能 金属基复合材料具有良好的高温性能。金属基复合材料与其基体相比通常具有较高的应力指数、蠕变激活能和蠕变抗力。采用弥散强化合金蠕变引入的门槛应力来解释金属基复合材料高应力指数、蠕变激活能的原因。这样，蠕变方程可表示为：（5-95-9）式中，为蠕变速率；A为常数；-0为门槛应力；E为与温度有关的弹性模量；为蠕变激活能；n为真应力指数；R为气体常数；T为绝对温度。表5-7列出了一些复合材料的蠕变数据。2/28/202330表表5-7 5-7 金属基复合材料的蠕变数据金属基复合材料的蠕变数据复合材料复合材料温度温度/K/K应力指数应力指数n n蠕变激活能蠕变激活能/kJmol/kJmol-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/AlSiCSiCp 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-4V8238239239232.882.882.962.962742742822822/28/2023315.2.6 非连续增强金属基复合材料的超塑性 金属基复合材料具有优异的综合性能，然而其机械加工性能较差，这限制了其应用和发展。应用近终形（near-net shape)成型技术的关键是超塑性变形。在超塑性变形过程，应变速率通常表达为：（5-10）式中，为柏氏矢量；D为相关的扩散系数；E为弹性模量；K为波尔兹曼常数；T为绝对测试温度；d为晶粒尺寸；p为晶粒尺寸指数；为流变应力；0为门槛应力；n为应力指数；A为几何常数。2/28/202332又称为转变超塑性或又称为转变超塑性或变态超塑性。是材料变态超塑性。是材料在变动频繁的温度环在变动频繁的温度环境下受应力作用时经境下受应力作用时经多次循环相变或同素多次循环相变或同素异形转变而得到的很异形转变而得到的很大的变形量大的变形量又称细晶超塑性或恒温又称细晶超塑性或恒温超塑性。指材料晶粒通超塑性。指材料晶粒通过细化、超细化和等轴过细化、超细化和等轴化，在变形期间保持稳化，在变形期间保持稳定，在一定变形温度区定，在一定变形温度区间（间（T0.5TmT0.5Tm）和一定）和一定变形速度条件下变形速度条件下(应变应变速率在速率在10-410-410-110-1之间之间)所呈现出的超塑性。所呈现出的超塑性。其他超塑性主要包括其他超塑性主要包括短暂超塑性、相变诱短暂超塑性、相变诱发超塑性以及消除应发超塑性以及消除应力退火过程中，应力力退火过程中，应力作用下积蓄在材料内作用下积蓄在材料内能量释放获得的超塑能量释放获得的超塑性性按实现超塑性的条件分类按实现超塑性的条件分类组织组织超塑性超塑性相变相变超塑性超塑性其他其他超塑性超塑性2/28/202333超塑性变形过程中组织变化有以下特点超塑性变形过程中组织变化有以下特点:1 12 23 34 4晶粒形晶粒形状与尺状与尺寸的变寸的变化化晶粒的晶粒的滑动、滑动、转动和转动和换位换位晶粒晶粒折皱折皱带带位错位错5 5空洞空洞2/28/202334另一类为沿晶界，特别另一类为沿晶界，特别是相界产生的圆形空洞是相界产生的圆形空洞或或O O形空洞，它们的形形空洞，它们的形状多半接近团或椭圆。状多半接近团或椭圆。这类空洞可以看作是过这类空洞可以看作是过饱和的空位晶界（或相饱和的空位晶界（或相界）汇流、聚集（沉淀）界）汇流、聚集（沉淀）而形成的。而形成的。一类为产生于三晶一类为产生于三晶粒交界处的楔形空洞粒交界处的楔形空洞或或V V形空洞，这类空洞形空洞，这类空洞是由于应力集中产生是由于应力集中产生的的按照空洞按照空洞形状分类形状分类2/28/202335 空洞形核有两种观点：一为复合材料变形前就存在，或者为超塑性变形的晶界滑移过程中，经过一定的应变最后在界面上形成的。Stroh运用Zener的假设（在剪切应力作用下发生晶界滑动时，在三叉晶界处产生裂纹）提出的空洞形核条件如下：（5-11）式中，为剪切力；为空洞的表面能；L为滑动晶面长度（相当于晶界凸起之间距离或晶界粒子之间距离）；G为剪切模量。2/28/202336 在超塑性变形过程中，随着晶界滑移的进行，由于颗粒与基体的弹性模量等物理性能不同，以及硬颗粒对滑移的阻碍作用必将产生界面应力集中，特别对尺寸较大的颗粒，这些界面应力难以释放，因此，颗粒，基体的界面成为空洞优先形核位置。极限颗粒尺寸可由下式表示：（5-12）式中，为原子体积；为流变应力；为边界扩散；K为波尔兹曼常数；T为热力学温度；为应变速率。当颗粒尺寸小于时空洞的生成是有限的，反之，将引起明显的空洞生成扩散。2/28/202337 式中，为原子体积；gb为晶界宽度；gb晶界扩散系数；r为空洞半径；为表面能;为流动应力；为热力学温度；为应变速率；为玻尔兹曼常数；为考虑空洞尺寸与间距的系数，其值为：（5-14）式中，为空洞之间的距离。2/28/202338 为零应变时的空洞量，空洞生长速率指数即为曲线的斜率。应变速率敏感指数（m值）是超塑性变形时的一个重要特征量，它受变形速率、变形温度和组织结构等因素的影响。长期以来，为了便于使用一直将应变速率敏感指数作为给定变形条件下的常数。Stowell以不变的应变速率敏感指数为基础提出了空洞受基体塑性变形控制长大的一个模型：空洞体积分数与应变之间存在指数关系：（5-15）（5-16）2/28/202339PillingPilling给出了给出了v v的计算式为：的计算式为：1 12 23 34 4通过改变材料通过改变材料的成分、组成的成分、组成和组织等内在和组织等内在因素，抑制空因素，抑制空洞的形成与长洞的形成与长大大通过预先热通过预先热处理可获得处理可获得极细的晶粒极细的晶粒度并抑制空度并抑制空洞的形核和洞的形核和长大长大通过变形通过变形后的退火后的退火处理，减处理，减少空洞少空洞通过变形通过变形后的热等后的热等静压压实静压压实使空洞减使空洞减少或根除少或根除（5-17）s=12,抑制与减少空洞的措施抑制与减少空洞的措施2/28/202340 式中，0=()B，它与均为材料特性常数，可通过单向拉伸试验确定，它不仅适用于比例加载情况，也适用于非比例加载情况。只要在单向拉伸时确定了材料特性常数o和1，就可确定在任意加载路径下超塑性变形后损失变量值。图5-5为空洞形成示意图。对超塑性材料而言，下面的方程式就是超塑性变形时材料的损失演变方程：（5-18）2/28/202341图图5-5 5-5 空洞形成示意图空洞形成示意图 表5-8和表5-9分别给出了铝、镁、锌和钛基复合材料超塑变形性能。2/28/202342表表5-85-8铝基复合材料的超塑变形性能铝基复合材料的超塑变形性能复合材料复合材料复合材料复合材料温度温度温度温度K K晶粒晶粒晶粒晶粒mmmm值值值值QQappappJmolJmol-1-1应变速率应变速率应变速率应变速率s s-1-1伸长率伸长率伸长率伸长率1515SiCp/IN9052SiCp/IN90528238230.50.55 561061015151515SiCp/PM-64SiCp/PM-64SiCp/PM-64SiCp/PM-647737737897898 80.30.3210210210210-4-445045020%Si20%Si3 3NN4 4p/5052Alp/5052Al8188181 10.50.51 170070020%Si20%Si3 3NN4 4p/6061Alp/6061Al8188183 30.50.51 11010-4-445045020%Si20%Si3 3NN4 4p/6061Alp/6061Al8338331 10.50.52 262062012%SiCw/7475Al12%SiCw/7475Al7737736.46.40.50.51 11010-3-345045020%SiCw/2124Al20%SiCw/2124Al7987980.50.52182183 31010-1-130030020%SiCw/2124Al20%SiCw/2124Al7487488238231 10.30.32182181.31.31010-1-1300300SiSi3 3NN4 4w/2124Alw/2124Al7987980.40.41401405 51010-1-1150150SiSi3 3NN4 4w/2124Alw/2124Al7987980.50.51.71.71010-1-1250250SiSi3 3NN4 4w/7064Alw/7064Al7987982 21010-1-1250250SiSi3 3NN4 4w/6061Alw/6061Al7987982 21010-1-1250250SiSi3 3NN4 4w/2124Alw/2124Al7987980.50.52 21010-1-125025020%Si20%Si3 3NN4 4w/6061Alw/6061Al7987980.50.51.61.61010-1-130030020%Si20%Si3 3NN4 4w/6061Alw/6061Al8188183 30.50.52 21010-1-160060020%Si20%Si3 3NN4 4w/7064Alw/7064Al8188183.53.50.40.42 21010-1-123023015%SiCp/2014Al15%SiCp/2014Al7537530.40.42 21010-4-434934915%SiCp/7475Al15%SiCp/7475Al7887880.40.42 21010-4-4310310(1015)%SiCw/7475Al(1015)%SiCw/7475Al7937930.50.52 21010-4-435035015%SiCp/Al-Zn-Mg-Cu(PM64)15%SiCp/Al-Zn-Mg-Cu(PM64)7737730.30.32 21010-4-445045015%SiCp/2618Al15%SiCp/2618Al8338333.33.31010-3-340040015%SiCp15%SiCp7837838.338.331010-3-321021010%SiCp/2024Al10%SiCp/2024Al7887880.40.45 51010-4-429368529368519%Al19%Al2 2OO3 3/6061Al/6061Al8038030.60.67.27.21010-3-31351352/28/202343表表5-9 5-9 镁镁 、锌、锌、钛基复合材料的超塑变形性能钛基复合材料的超塑变形性能复合材料复合材料复合材料复合材料温度温度温度温度/K/K伸长率伸长率伸长率伸长率/mm值值值值应变速率应变速率应变速率应变速率/s/s-1-12020TiCp/Mg-5ZnTiCp/Mg-5Zn7437433403400.330.336.6.710710710710-2-2