第7章金属基复合材料的性能

1、2022年6月27日星期一1第第7 7章章 金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能 2022年6月27日星期一2 现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料难是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。展。与传统金属材料与传统金属材料相比，金属基复相比，金属基复合材料具有较高合材料具有较高的比强度、比刚的比强度、比刚度，耐磨损度，耐磨损.与树脂基复合材与树脂基复合材料相比，金

2、属基料相比，金属基复合材料具有优复合材料具有优良的导电、导热良的导电、导热性，高温性能好，性，高温性能好，可焊接可焊接.123与陶瓷材料相比，与陶瓷材料相比，金属基复合材料具金属基复合材料具有高韧性和高冲击有高韧性和高冲击性能、线胀系数小性能、线胀系数小等优点等优点.2022年6月27日星期一3几种典型的金属基复合材料的力学性能列于几种典型的金属基复合材料的力学性能列于表表7-17-1中。中。金属基复合材料中所用的增强物的力学性能都很高、且密度金属基复合材料中所用的增强物的力学性能都很高、且密度低，因此它们的比强度和比模量高。低，因此它们的比强度和比模量高。图图7-17-1和图和图7-27-2

3、中分别示出了金属基复合材料的比强度和比模中分别示出了金属基复合材料的比强度和比模量与温度的关系。量与温度的关系。图图7-37-3表示出了常见金属基复合材料热膨胀系数。表示出了常见金属基复合材料热膨胀系数。2022年6月27日星期一4101019019080807007001.7991.7996060kevlarkevlarSuperhybridSuperhybrid3030909080807407402.1592.1596060s-glasss-glassSuperhybridSuperhybrid60602202201201208608603.0483.0486060GrifiticGrif

4、iticSuperhybridSuperhybrid- - -180180110011002.4362.43660602040Al2040AlG (142m)G (142m)- - -1401407607603.4363.43650502034Al2034AlG (81.3m)G (81.3m)404030303103108238235.3425.3425050NickelNickelG T 75G T 75- - -2402407907905.2955.2955050NickelNickelG T 75G T 75- - -1201207707705.2875.2873535PbPbG T

5、75G T 75- - -1901904504501.7991.7994242MgMgG T 75G T 75140140340340230230148014803.7373.7373838TiTiB B4 4C on CC on C1001003403401001008408403.7963.7962020AlAlSiC WhiskerSiC Whisker210210520520260260121012103.9313.9313535TiTiSiCSiC140140(140)(140)230230148014802.9342.93450506061Al6061AlSiCSiC140140(

6、140)(140)210210117011703.5983.5985050201Al201AlFPFP- - -2402402902906.0906.0903939CuCuG T 75G T 75- - -2002007207207.4747.4744141AlAlG T 75G T 75190190460460220220127012703.6813.6814545TiTiBorsicBorsic160160140140230230138013802.4912.49150506061Al6061AlB on W.142-mB on W.142-m- - -3003005105101.8271

7、.8273333AZ31MGAZ31MGG HM PitchG HM Pitch- - -3203206306302.4362.43641416061Al6061AlG HM PitchG HM Pitch404070701601605505502.4362.4363030201Al201AlG GY70G GY70303030302102106606602.3802.3803434201Al201AlG GY70G GY70- - -16016011201120- -4949201Al201AlG T50G T50303050501701706206202.3802.3803030201Al

8、201AlG T50G T50模量模量GPaGPa拉伸强度拉伸强度MPaMPa模量模量GPaGPa拉伸强度拉伸强度MPaMPa横向横向纵向纵向密度密度g/cmg/cm3 3增强体增强体体积分数体积分数vol%vol%基体基体纤维纤维2022年6月27日星期一5图图7-17-1复合材料的比强度与温度的关系复合材料的比强度与温度的关系图图7-27-2复合材料的比模量与温度的关系复合材料的比模量与温度的关系2022年6月27日星期一6图图7-37-3复合材料的热膨胀系数复合材料的热膨胀系数2022年6月27日星期一7 7.2 7.2颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 7.2.17.2.1颗

9、粒增强铝基复合材料颗粒增强铝基复合材料 增强体颗粒加入到铝合金后，引起基体合金微观结构的变增强体颗粒加入到铝合金后，引起基体合金微观结构的变化，同时使合金的性能发生改变。化，同时使合金的性能发生改变。1 1 弹性模量弹性模量2 2 强度强度3 3 导热性能导热性能4 4 热膨胀性能热膨胀性能5 5 高温力学性能高温力学性能表表7-27-2中给出一些颗粒增强铝基复合材料的力学性能数据。中给出一些颗粒增强铝基复合材料的力学性能数据。2022年6月27日星期一8复合材料复合材料0.20.2/MPa/MPab b/MPa/MPa / E/GPaE/GPa 制造商制造商AlAl2 2O O3 3/606

10、1Al 10% (T6)/6061Al 10% (T6) 15% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 20% (T6) 296296 319 319 359 359 338338 359 359 379 379 7.57.5 5.4 5.4 2.1 2.181 81 87879898Duralcan, Duralcan, AlcanAlcanSiCp/6061Al 10% (T6)SiCp/6061Al 10% (T6) 15% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 20% (T6) 405405 420 420 430 430 460460 500 500 515 515

11、7.07.0 5.0 5.0 4.0 4.09898105105115115DWADWADWADWADWADWAAlAl2 2O O3 3/4042Al 10% (T6)/4042Al 10% (T6) 15% (T6) 15% (T6) 20% (T6) 20% (T6) 483483 476 476 483 483 517517 503 503 503 503 3.33.3 2.3 2.3 1.0 1.084849292101101Duralcan, Duralcan, AlcanAlcanSiCp/2024Al 10% (T6)SiCp/2024Al 10% (T6) 15% (T6)

12、15% (T6) 20% (T6) 20% (T6) 400400 490 490 405 405 610610 630 630 560 56057572424 3 3 100100 105 105 BritishPetBritishPetroleumroleumDWADWASiCp/7075Al 15% SiCp/7075Al 15% (T651)(T651) 556556 601601 2 2 9595Cospray, Cospray, AlcanAlcanSiCp/7079Al 15% (T6)SiCp/7079Al 15% (T6) 598598 643643 2 2 9090Cosp

13、ray, Cospray, AlcanAlcanSiCp/7079Al 20% (T6)SiCp/7079Al 20% (T6) 665665 735735 105105 DWADWA表表7-2 7-2 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2022年6月27日星期一9(1) (1) 弹性模量弹性模量增强体的加入，使复合材料的弹性模量（增强体的加入，使复合材料的弹性模量（E E）显著提高。）显著提高。影响复合材料弹性模量的因素主要有增强体种类、含量、长影响复合材料弹性模量的因素主要有增强体种类、含量、长径比、定向排布程度和基体合金种类以及热处理状态等。径比、定向排布程度和

14、基体合金种类以及热处理状态等。表表7-2所示，随着增强体颗粒的加入及体积分数增大，弹性模所示，随着增强体颗粒的加入及体积分数增大，弹性模量大致呈线性关系提高。量大致呈线性关系提高。2022年6月27日星期一10图图7-47-4说明说明SiCSiC颗粒和晶须增强不同铝合金基复合材料所产生颗粒和晶须增强不同铝合金基复合材料所产生的强化效果与基体强度密切相关，强度低的基体对颗粒或晶的强化效果与基体强度密切相关，强度低的基体对颗粒或晶须的增强效果明显。须的增强效果明显。图图7-4 7-4 不同铝基复合材料的室温拉伸强度不同铝基复合材料的室温拉伸强度(2) (2) 强度强度2022年6月27日星期一11

15、相对于基体合金具有更高的相对于基体合金具有更高的耐热性耐热性是复合材料的又一重要特是复合材料的又一重要特点。图点。图7-57-5和图和图7-67-6分别为分别为40%40%（体积分数）（体积分数）AlNp/6061 AlAlNp/6061 Al复合复合材料和不同合金基复合材料的高温拉伸性能。材料和不同合金基复合材料的高温拉伸性能。图图7-5 AlNp/6061Al7-5 AlNp/6061Al复合材料以及基体合金的高温强度复合材料以及基体合金的高温强度2022年6月27日星期一12图图7-6 7-6 复合材料的拉伸强度与温度之间的关系曲线复合材料的拉伸强度与温度之间的关系曲线2022年6月27

16、日星期一13(3) (3) 导热性导热性 传统的传统的InvarInvar和和KovarKovar系列合金、系列合金、MoMo合金、合金、W W合金等由于电合金等由于电阻、热阻或密度较大的原因，都难以满足现代航空航天电子阻、热阻或密度较大的原因，都难以满足现代航空航天电子封装集成材料的要求。而目前大部分电子封装材料主要采用封装集成材料的要求。而目前大部分电子封装材料主要采用AlAl2 2O O3 3陶瓷，陶瓷，SiCSiC陶瓷和陶瓷和AlNAlN陶瓷，前两种材料的热导率较低且陶瓷，前两种材料的热导率较低且密度较高，后者成型较为困难。表密度较高，后者成型较为困难。表7-37-3显示了部分传统材料

17、和显示了部分传统材料和目前使用的电子封装材料的热导率和热膨胀性能。图目前使用的电子封装材料的热导率和热膨胀性能。图7-97-9为为SiCp/A1SiCp/A1复合材料的热导率和线胀系数与复合材料的热导率和线胀系数与SiCSiC体积分数的关系体积分数的关系，可见通过适当条件可以获得不同的热导率与线胀系数匹配，可见通过适当条件可以获得不同的热导率与线胀系数匹配，以满足不同的电子元器件的要求。，以满足不同的电子元器件的要求。2022年6月27日星期一14材料材料AlNAlNBeOBeOAlAl2 2O O3 3W WSiCSiCInvarInvarSiSiMoMoKovarKovar线胀系数线胀系数

18、/10/10-6-6K K-1-14.74.76.76.78.38.34.54.53.83.80.40.44.14.15.05.05.95.9热导率热导率/W.(m.k)/W.(m.k)-1-125025025025020201741747070111113.513.51401401717表表7-3 7-3 部分材料的热导率和热膨胀性能部分材料的热导率和热膨胀性能2022年6月27日星期一15(4) (4) 热膨胀性能热膨胀性能性能性能A AB B2Cr132Cr13电镀电镀NiNi线胀系数线胀系数/10/10-6-6K K-1-19.79.712.412.49.39.312.112.1热导率

19、热导率/W.(m.K)/W.(m.K)-1-112712712312324.924.98.08.0弹性模量弹性模量/GPa/GPa1451451172.911172.912002002.02.0密度密度/g.cm/g.cm-3-32.912.917.87.87.757.75表表7-4 SiC7-4 SiCP P/Al/Al复合材料与常规材料力学性能的比较复合材料与常规材料力学性能的比较注注:A:A用于精密仪器的金属基复合材料，用于精密仪器的金属基复合材料，6061-T6,40%SiCP(6061-T6,40%SiCP(体积分数体积分数) )；B B用于光学仪器的金属基复合材料，用于光学仪器的金

20、属基复合材料，2124-T62124-T6，30% SiCp(30% SiCp(体积分数体积分数).).2022年6月27日星期一16图图7-77-7中中SiCSiCP P/2024Al/2024Al复合材料线胀系数与复合材料线胀系数与SiCSiC颗粒体积分数颗粒体积分数的关系的关系. .这表明复合材料的线胀系数在一定范围可调，因此，这表明复合材料的线胀系数在一定范围可调，因此，SiCSiCP P/Al/Al复合材料在光学仪表和航空电子元件领域具有较好复合材料在光学仪表和航空电子元件领域具有较好的应用前景。的应用前景。 图图7-7 SiCp/Al7-7 SiCp/Al性能与性能与SiCSiC体

21、积的关系体积的关系2022年6月27日星期一17(5) (5) 高温力学性能高温力学性能 表表7-57-5给出了给出了SiCP/A356SiCP/A356复合材料的高温性能由表中可见复合材料的高温性能由表中可见SiCSiC颗粒体积分数增加颗粒体积分数增加, ,复合材料的高温性能提高复合材料的高温性能提高, ,当体积分数为当体积分数为20%20%时时, ,复合材料在复合材料在200200左右的强度仍与铝基合金室温强度相当。左右的强度仍与铝基合金室温强度相当。温度温度/拉伸强度拉伸强度/MPa/MPa0% SiC0% SiC10%SiC10%SiC15%SiC15%SiC20%SiC20%SiC2

22、22226226230330333133135235214914916516525525528328329629620420410310322122124824824824826026076761311311451451521523163162828696976767676表表7-5 SiC7-5 SiCP P/A356/A356复合材料高温性能复合材料高温性能2022年6月27日星期一187.2.2 7.2.2 颗粒增强镁基复合材料颗粒增强镁基复合材料 SiC SiCP P/Mg/Mg复合材料的性能见表复合材料的性能见表7-67-6。由表。由表7-67-6可见在同一温度可见在同一温度下，随着

23、增强颗粒的加入及其体积含量的增加，复合材料的屈下，随着增强颗粒的加入及其体积含量的增加，复合材料的屈服强度、拉伸强度、弹性模量都有所提高，伸长率则有所下降服强度、拉伸强度、弹性模量都有所提高，伸长率则有所下降。但对于同一含量增强相而言，随着温度的升高，屈服强度、。但对于同一含量增强相而言，随着温度的升高，屈服强度、拉伸强度、弹性模量都有所降低，伸长率有所提高，说明温度拉伸强度、弹性模量都有所降低，伸长率有所提高，说明温度对这种材料的性能有较大的影响。另外，对铸态复合材料进行对这种材料的性能有较大的影响。另外，对铸态复合材料进行压延，可使其力学性能大大提高，压延之所以能达到这种效果压延，可使其力

24、学性能大大提高，压延之所以能达到这种效果是由于经过压延陶瓷颗粒增强相在基体内分布更加均匀，消除是由于经过压延陶瓷颗粒增强相在基体内分布更加均匀，消除了气孔、缩松等缺陷。了气孔、缩松等缺陷。2022年6月27日星期一19表表7-6 SiCp7-6 SiCpMgMg复合材料不同温度的力学性能复合材料不同温度的力学性能材料材料温度温度0.20.2MPaMPab bMPaMPa% %E EGPaGPa15.1% SiCp15.1% SiCpAZ91AZ912121207.9207.9235.9235.91.11.153.953.919.6% SiCp19.6% SiCpAZ91AZ912121212.

25、1212.1231.0231.00.70.757.457.425.4% SiCp25.4% SiCpAZ91AZ912121231.7231.7245.0245.00.70.765.165.125.4% SiCp25.4% SiCpAZ91AZ91177177159.6159.6176.4176.41.51.556.056.025.4% SiCp25.4% SiCpAZ91AZ9126026053.253.268.668.63.63.6- -20% SiCp20% SiCpAZ91AZ9125+25+压延压延251.0251.0336.0336.05.75.779.079.02022年6月27

26、日星期一20宝马方向盘宝马方向盘2022年6月27日星期一21镁合金摩托车车轮镁合金摩托车车轮镁合金汽车车轮镁合金汽车车轮2022年6月27日星期一22笔记本电脑外壳笔记本电脑外壳2022年6月27日星期一237.2.3 7.2.3 颗粒增强锌基复合材料颗粒增强锌基复合材料 SiCSiCP P/Zn/Zn复合材料的性能见表复合材料的性能见表7-77-7。由表。由表7-77-7可见随着可见随着SiCSiC颗粒体积分数颗粒体积分数的增加，的增加， SiCSiCP P/ZA27/ZA27复合材料的弹性模量及硬度均有所提高，拉伸强度降低复合材料的弹性模量及硬度均有所提高，拉伸强度降低，这可能是因为，这

27、可能是因为ZA27ZA27基体塑性差所致，但是对于基体塑性差所致，但是对于SiCSiCP PZA22ZA22复合材料而言拉复合材料而言拉伸强度却有一个峰值，可能是由于位错密度升高导致的结果。伸强度却有一个峰值，可能是由于位错密度升高导致的结果。材料材料b b/MPa/MPa/%/%E/GPaE/GPaHBSHBS10% SiC10% SiCP P/ZA27/ZA273963960 09292121.0121.020% SiC20% SiCP P/ZA27/ZA273303300 0110110159.0159.05% SiC5% SiCP P/ZA22/ZA224854853.63.69696

28、101.0101.010% SiC10% SiCP P/ZA22/ZA225185182.82.8105105116.5116.5表表7-7 SiCP/Zn7-7 SiCP/Zn复合材料的性能复合材料的性能2022年6月27日星期一24 将将ZA27ZA27合金在坩埚中熔化合金在坩埚中熔化, ,并在并在600600保温保温, ,随后在熔体随后在熔体表面加入表面加入SiCSiC颗粒颗粒, ,用高能超声处理用高能超声处理606090s,90s,得到熔体得到熔体- -颗粒颗粒悬浮液悬浮液, ,并在金属型中浇注成形，得到并在金属型中浇注成形，得到SiCp/ZA27SiCp/ZA27复合材料。复合材料。

29、 图图7-107-10为为SiCSiC增强体在相同的颗粒粒径增强体在相同的颗粒粒径(7m)(7m)条件下条件下, ,颗颗粒的体积分数对复合材料力学性能的影响。粒的体积分数对复合材料力学性能的影响。2022年6月27日星期一25 图图7-8 SiCp(7m)/ZA277-8 SiCp(7m)/ZA27的室温性能与的室温性能与SiCSiC体积分数的关系体积分数的关系 2022年6月27日星期一26 选用粒度约为选用粒度约为10m10m的的SiCSiC颗粒作为增强相，基体材料是颗粒作为增强相，基体材料是ZA27ZA27合金，其成分为合金，其成分为( (质量分数，下同质量分数，下同)Al)Al为为25

30、%25%28%,Cu28%,Cu为为1.25%1.25%1.75%,Mg1.75%,Mg为为0.01%0.01%0.15%0.15%。用挤压浸渗法制备。用挤压浸渗法制备SiCp/ZA27SiCp/ZA27复合材料，预制块和模具预热温度为复合材料，预制块和模具预热温度为650650，浸渗压，浸渗压力为力为9.0MPa9.0MPa。室温磨损试验在国产。室温磨损试验在国产MM200MM200磨损试验机上进行，磨损试验机上进行，摩擦副为摩擦副为40Cr40Cr钢。表钢。表7-87-8为复合材料的磨损结果。从表中可以为复合材料的磨损结果。从表中可以看出，复合材料中由于增强相颗粒的加入，看出，复合材料中由

31、于增强相颗粒的加入，ZA27ZA27合金的耐磨性合金的耐磨性提高了提高了77.8577.85倍。随着倍。随着SiCSiC颗粒含量的增加，颗粒含量的增加，ZA27ZA27合金的耐磨性合金的耐磨性进一步提高，当进一步提高，当SiCSiC颗粒含量质量分数达颗粒含量质量分数达30%30%时，耐磨性提高了时，耐磨性提高了126.5126.5倍。倍。 表表7-8 SiCp/ZA277-8 SiCp/ZA27复合材料的磨损结果复合材料的磨损结果2022年6月27日星期一277.2.4 7.2.4 颗粒增强铜基复合材料颗粒增强铜基复合材料TiBTiB2 2-Cu-Cu基复合材料和基复合材料和TiBTiB2 2

32、陶瓷材料的力学性能如表陶瓷材料的力学性能如表7-97-9所示。所示。由表可见，由于金属由表可见，由于金属CuCu的加入，的加入，TiBTiB2 2-Cu-Cu基复合材料的致密基复合材料的致密度、弯曲强度和断裂韧性均大幅度提高。度、弯曲强度和断裂韧性均大幅度提高。材料材料密度密度/g.cm/g.cm-3-3致密度致密度/%/%硬度硬度HRAHRA弯曲强度弯曲强度/MPa/MPa断裂韧性断裂韧性/MPa.m/MPa.m1/21/2TiBTiB2 2-Cu-Cu5.4175.41796.196.176.576.55835838.328.32TiBTiB2 24.134.1391.491.482824

33、24.8424.84.714.71表表7-9 TiB7-9 TiB2 2-Cu-Cu基复合材料的力学性能基复合材料的力学性能2022年6月27日星期一28采用内氧化工艺制备了质量分数为采用内氧化工艺制备了质量分数为0.89%0.89%铜基复合材料，其增铜基复合材料，其增强体强体AlAl2 2O O3 3的质量分数为的质量分数为0.89%0.89%，其增强体比例与用机械合金，其增强体比例与用机械合金化工艺的相当。化工艺的相当。复合材料经烧结、挤压和冷拔后的综合性能列于复合材料经烧结、挤压和冷拔后的综合性能列于表表7-107-10，复合材料加工率与强度的关系、复合材料硬度与退火温度的复合材料加工率

34、与强度的关系、复合材料硬度与退火温度的关系分别示于关系分别示于图图7-97-9和图和图7-107-10。2022年6月27日星期一29工艺工艺方法方法质量质量分数分数% %试验试验温度温度b bMPaMPa0.20.2MPaMPa% %HRBHRB相对相对电导率电导率(LACS)/%(LACS)/%机械机械合金合金化法化法0.90.925254054054004006.56.5606084844274271821821561566 6- - -内氧内氧化法化法0.890.8925255655655455451212858578.8378.834274275255254704708 8- - -

35、表表7-10 Al7-10 Al2 2O O3 3/Cu/Cu复合材料的力学及电学性能复合材料的力学及电学性能2022年6月27日星期一30图图7-9 7-9 复合材料加工率与复合材料加工率与强度的关系强度的关系图图7-10 7-10 复合材料硬度与退复合材料硬度与退火温度的关系火温度的关系2022年6月27日星期一317.2.5 7.2.5 颗粒增强钛基复合材料颗粒增强钛基复合材料钛基复合材料比钛合金具有更高的比强度、比刚度、抗高钛基复合材料比钛合金具有更高的比强度、比刚度、抗高温性能等，使其成为先进飞行器和航空发动机的候选材料，温性能等，使其成为先进飞行器和航空发动机的候选材料，而成本较低

36、的颗粒增强钛基复合材料在广泛的民用领域则而成本较低的颗粒增强钛基复合材料在广泛的民用领域则有着巨大的应用市场。表有着巨大的应用市场。表7-117-11列出了钛合金和颗粒增强钛列出了钛合金和颗粒增强钛基复合材料的机械性能。基复合材料的机械性能。表表7-11 7-11 颗粒增强钛基复合材料的室温拉伸性能颗粒增强钛基复合材料的室温拉伸性能2022年6月27日星期一32图图7-137-13为为TiCTiC颗粒增强钛基复合材料（颗粒增强钛基复合材料（TP-650TP-650）在不同试验）在不同试验温度下的强度与延伸率关系曲线。温度下的强度与延伸率关系曲线。 图图7-11 TP-6507-11 TP-65

37、0复合材料在不同试验温度下的强度与延伸率关系曲线复合材料在不同试验温度下的强度与延伸率关系曲线2022年6月27日星期一331 1）SiCSiCW W/Al/Al复合材料的弹性模量复合材料的弹性模量SiCSiC晶须的加入，可以明显提高复合材料的弹性模量和强度。晶须的加入，可以明显提高复合材料的弹性模量和强度。表表7-127-12给出了采用粉末冶金法制备的给出了采用粉末冶金法制备的SiCw/AlSiCw/Al复合材料的室温复合材料的室温拉伸性能。拉伸性能。 7.3 7.3 晶须增强金属基复合材料晶须增强金属基复合材料7.3.1 7.3.1 晶须增强铝基复合材料晶须增强铝基复合材料2022年6月2

38、7日星期一34材材 料料热处理工艺热处理工艺E/GPaE/GPa0.20.2/MPa/MPab b/MPa/MPa/%/%n nPM5456PM54568Vol% SiCw/54568Vol% SiCw/545620Vol% SiCw/545620Vol% SiCw/54568Vol% SiCp/54568Vol% SiCp/545620Vol% SiCp/545620Vol% SiCp/5456淬火淬火淬火淬火淬火淬火淬火淬火淬火淬火71718888119119818110610625925927527538038025325332432443343350350363563545945955

39、255223237 72 215157 70.010.010.050.050.130.130.070.070.110.11PM2124PM2124PM2124PM2124PM2124PM2124PM2124PM2124T4T4T6T6T8T8退火退火737369697272757541441440040042842811011058758756656658758721421418181717232319190.020.020.010.010.010.010.100.108Vol% SiCw/21248Vol% SiCw/21248Vol% SiCw/21248Vol% SiCw/21248Vo

40、l% SiCw/21248Vol% SiCw/21248Vol% SiCw/21248Vol% SiCw/2124T4T4T6T6T8T8退火退火97979595949490904074073933935115111451456696696426426626623243249 98 89 910100.010.010.090.090.020.020.250.2520Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol% SiCw/212420Vol%

41、 SiCw/2124T4T4T6T6T8T8退火退火1301301281281281281281284974974974977187182212218908908808808978975045043 32 23 32 20.120.120.140.140.040.040.400.408Vol% SiCp/21248Vol% SiCp/21248Vol% SiCp/21248Vol% SiCp/2124T4T4T8T891918787368368475475- - - - - - -20Vol% SiCp/212420Vol% SiCp/212420Vol% SiCp/212420Vol% Si

42、Cp/2124T4T4T8T8110110110110435435573573- - - - - - -表表7-12 SiCw/Al7-12 SiCw/Al复合材料的拉伸性能复合材料的拉伸性能2022年6月27日星期一352 2）SiCw/AlSiCw/Al复合材料的强度复合材料的强度 SiCw/Al SiCw/Al复合材料的强度与晶须体积分数、晶须排列与分复合材料的强度与晶须体积分数、晶须排列与分布、界面状态、基体合金种类以及热处理状态等因素有关布、界面状态、基体合金种类以及热处理状态等因素有关. .虽虽然然SiCw/AlSiCw/Al复合材料的比例极限与铝合金相近甚至要低于铝合复合材料的比

43、例极限与铝合金相近甚至要低于铝合金的比例极限，但其屈服与拉伸强度要远高于相应的铝合金。金的比例极限，但其屈服与拉伸强度要远高于相应的铝合金。 有关有关SiCw/AlSiCw/Al复合材料的强度理论研究较多，最简单的为复合材料的强度理论研究较多，最简单的为混合定则，但其理论值与实际强度值差异很大，主要原因为混合定则，但其理论值与实际强度值差异很大，主要原因为混合定律并未考虑进诸如增强体形状、空间分布等组织有关混合定律并未考虑进诸如增强体形状、空间分布等组织有关的因素。此外，对于的因素。此外，对于SiCw/AlSiCw/Al复合材料，混合定律的等应变假复合材料，混合定律的等应变假设也不成立，由此模

44、型预报的流变应力与弹性模量通常是正设也不成立，由此模型预报的流变应力与弹性模量通常是正确值的上限。确值的上限。2022年6月27日星期一363 3）断裂韧性）断裂韧性 关于关于SiCSiC晶须或颗粒增强铝基复合材料断裂行为的研究涉晶须或颗粒增强铝基复合材料断裂行为的研究涉及的断裂形式有拉伸断裂、压缩断裂、弯曲断裂、疲劳断裂、及的断裂形式有拉伸断裂、压缩断裂、弯曲断裂、疲劳断裂、蠕变、应力腐蚀断裂等诸种，其中有关蠕变、应力腐蚀断裂等诸种，其中有关拉伸断裂拉伸断裂、疲劳断裂、疲劳断裂的研究占绝大部分，而后者的内容又为复合材料疲劳研究的的研究占绝大部分，而后者的内容又为复合材料疲劳研究的重点。重点。

45、2022年6月27日星期一37材料材料晶须含量晶须含量( (体积体积分数分数)/%)/%制备方法制备方法状态状态断裂应变断裂应变/%/%SiCw/1100AlSiCw/1100Al202028282828SQSQPMPMSQSQ- - - -4 44 43.73.7SiCw/6061AlSiCw/6061Al151517171818202020202020222225253030PMPMSQSQPMPMPMPMPMPMSQ+EXTRSQ+EXTRSQSQPMPMPMPMT6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T6T63.63.63.53.52.82.82.32.32.2

46、2.23.53.52.852.851.91.91.5-1.81.5-1.8SiCw/2024AlSiCw/2024Al20202020PMPMPMPMT6T6T6T62.0-2.52.0-2.52.42.4SiCw/2124AlSiCw/2124Al2020202020201515202013.213.23030PMPMPMPMPMPMPMPMPMPMPMPMPMPMT4T4T6T6T8T8T6T6T6T6T6T6T6T63 32 23 33.73.73.03.04.04.01.4-1.81.4-1.8SiCw/7075AlSiCw/7075Al17.517.520203030PMPMPMPM

47、PMPMT6T6T6T6T6T62.82.83.43.41.2-1.51.2-1.5SiCw/5456AlSiCw/5456Al2020PMPMQuenchedQuenched2 2表表7-13 SiCw/Al7-13 SiCw/Al复合材料室温拉伸的断裂应变复合材料室温拉伸的断裂应变2022年6月27日星期一38(1) SiCw/Al(1) SiCw/Al复合材料的断裂特怔复合材料的断裂特怔 断裂应变小、断裂韧性低断裂应变小、断裂韧性低 是是SiCw/AlSiCw/Al复合材料断裂的显著特征，也是目前限制该种材复合材料断裂的显著特征，也是目前限制该种材 料推广应用的主要障碍。料推广应用的主要

48、障碍。SiCw/AlSiCw/Al复合材料的断裂在宏观上复合材料的断裂在宏观上 表现为脆性断裂，而微观上则表现出韧窝塑性断裂的特表现为脆性断裂，而微观上则表现出韧窝塑性断裂的特 征。征。(2) SiCw/Al(2) SiCw/Al复合材料的断裂应变与断裂韧性复合材料的断裂应变与断裂韧性 SiCw/AlSiCw/Al复合复合 材料通常具有较低的塑性。表材料通常具有较低的塑性。表7-137-13给出了以不同铝合金给出了以不同铝合金 为基体的复合材料的拉伸断裂应变，可见对于晶须体积为基体的复合材料的拉伸断裂应变，可见对于晶须体积 分数分数V Vf f为为15%15%30%30%的的SiCw/AlSi

49、Cw/Al复合材料，其最大断裂应变复合材料，其最大断裂应变 b b只有只有3%3%左右，并且基体合金的种类和增强体含量的变左右，并且基体合金的种类和增强体含量的变 化（上述化（上述VfVf范围内）对范围内）对bb的影响不大。的影响不大。 研究表明，研究表明，SiCw/AlSiCw/Al复合材料的断裂韧性明显低于相应的复合材料的断裂韧性明显低于相应的基体合金。基体合金。2022年6月27日星期一39 目前对目前对SiCw/AlSiCw/Al复合材料断裂韧性的测定还没有标准化，复合材料断裂韧性的测定还没有标准化，其中一个主要的原因是预制裂纹的加工比较困难，而产生疲其中一个主要的原因是预制裂纹的加工

50、比较困难，而产生疲劳裂纹的门槛值劳裂纹的门槛值KaKa较高，裂纹萌生后又迅速扩展难以控制。较高，裂纹萌生后又迅速扩展难以控制。很多研究参考金属材料的标准如很多研究参考金属材料的标准如ASTM399ASTM399平面断裂韧性的测平面断裂韧性的测试方法及试方法及ASTM813JASTM813J积分的测量方法测试中大都采用紧凑拉积分的测量方法测试中大都采用紧凑拉伸试样，在试样加工时通过计算机控制缺口试样底部的曲率伸试样，在试样加工时通过计算机控制缺口试样底部的曲率半径来解决预制裂纹的加工问题。根据半径来解决预制裂纹的加工问题。根据SiC/AlSiC/Al复合材料的性复合材料的性质，许多工作研究测试复

51、合材料裂纹萌生断裂韧性，也有人质，许多工作研究测试复合材料裂纹萌生断裂韧性，也有人研究裂纹长大过程中复合材料的断裂韧性，但主要是针对颗研究裂纹长大过程中复合材料的断裂韧性，但主要是针对颗粒增强的复合材料。粒增强的复合材料。 2022年6月27日星期一40 SiCw/Al SiCw/Al复合材料的断裂韧性受到晶须体积分数及分散程复合材料的断裂韧性受到晶须体积分数及分散程度、基体合金的种类及其微观结构、度、基体合金的种类及其微观结构、SiCw-AlSiCw-Al界面性质、时界面性质、时效处理工艺等因素的影响。试验表明，提高晶须的体积分数效处理工艺等因素的影响。试验表明，提高晶须的体积分数、晶须分散

52、不均匀、增大、晶须分散不均匀、增大SiCSiC粒子的尺寸，界面产生析出物粒子的尺寸，界面产生析出物或结合强度过高、基体合金的韧性差均可导致复合材料断裂或结合强度过高、基体合金的韧性差均可导致复合材料断裂韧性的降低。韧性的降低。2022年6月27日星期一41表表7-147-14给出了热处理工艺对给出了热处理工艺对20%SiC/6061Al20%SiC/6061Al复合材料断裂复合材料断裂韧性的影响。韧性的影响。材料材料状态状态断裂韧性断裂韧性K K1C1C/MPa.m/MPa.m1/21/2备注备注SiCw/6061ASiCw/6061Al l制造态制造态T6T6真空除气真空除气真空除气真空除气

53、+T6+T619.519.523.423.418.918.922.422.4测试前不进行任何热处理测试前不进行任何热处理527527固溶固溶1h1h水淬、水淬、177177时效时效8h8h500500真空保温真空保温48h48h先真空除气然后先真空除气然后T6T6处理处理6061Al6061AlT6T636.836.8527527固溶固溶1h1h水淬、水淬、177177时效时效8h8h表表7-14 7-14 热处理工艺对热处理工艺对SiCwSiCw6061Al6061Al复合材料断裂韧性的影响复合材料断裂韧性的影响 综上所述，应通过控制综上所述，应通过控制SiCSiC晶须的分布、改善基体的韧性

54、、净晶须的分布、改善基体的韧性、净化基体以及热加工等手段提高化基体以及热加工等手段提高SiCw/AlSiCw/Al复合材料的断裂韧性。复合材料的断裂韧性。2022年6月27日星期一427.3.2 7.3.2 晶须增强镁基复合材料的性能晶须增强镁基复合材料的性能 表表7-157-15为采用不同粘结剂的压铸态为采用不同粘结剂的压铸态SiCSiCW W/AZ91/AZ91镁基复合材镁基复合材料的拉伸性能料的拉伸性能. .与基体合金与基体合金AZ91AZ91相比相比, SiCW/AZ91, SiCW/AZ91的屈服强度、的屈服强度、拉伸强度和弹性模量均大大提高拉伸强度和弹性模量均大大提高, ,而伸长率

55、下降。而伸长率下降。材料材料V Vf f/%/%0.20.2/MPa/MPab b/MPa/MPa伸长率伸长率/%/%E/GPaE/GPaAZ91AZ910 01021022052056.006.004646SiCSiCW W/AZ91(/AZ91(酸性磷酸酸性磷酸铝粘结剂铝粘结剂) )21212402403703701.121.128686SiCSiCW W/AZ91(/AZ91(硅胶粘结硅胶粘结剂剂) )21212362363323320.820.828080SiCSiCW W/AZ91/AZ9122222232233253251.081.088181表表7-15 7-15 采用不同粘结剂

56、的采用不同粘结剂的SiCW/AZ91SiCW/AZ91镁基复合材料的拉伸性能镁基复合材料的拉伸性能2022年6月27日星期一43 图图7-147-14为采用硅胶粘结剂与采用酸性磷酸铝粘结剂的为采用硅胶粘结剂与采用酸性磷酸铝粘结剂的SiCW/AZ91SiCW/AZ91镁基复合材料中，复合材料铸锭不同部位沿压铸镁基复合材料中，复合材料铸锭不同部位沿压铸方向的拉伸强度。在采用硅胶粘结剂的复合材料中方向的拉伸强度。在采用硅胶粘结剂的复合材料中, ,不仅拉不仅拉伸强度较低，而且强度分散性较大，复合材料靠近表面部分伸强度较低，而且强度分散性较大，复合材料靠近表面部分的强度要高于心部强度。而采用酸性磷酸铝粘

57、结剂的复合材的强度要高于心部强度。而采用酸性磷酸铝粘结剂的复合材料的强度分布比较均匀，虽然边界部的强度稍高。料的强度分布比较均匀，虽然边界部的强度稍高。图图7-14 7-14 采用不同粘结剂的采用不同粘结剂的SiCw/AZ91SiCw/AZ91镁基复合材料铸锭镁基复合材料铸锭不同部位的拉伸强度不同部位的拉伸强度2022年6月27日星期一44 表表7-167-16为采用酸性磷酸铝粘结剂的为采用酸性磷酸铝粘结剂的SiCw/AZ9lSiCw/AZ9l复合材料与复合材料与SiCw/6061AlSiCw/6061Al复合材料性能的比较，采用流体静力法测得复合材料性能的比较，采用流体静力法测得SiCw/A

58、Z91SiCw/AZ91复合材料的密度为复合材料的密度为2.08g/cm32.08g/cm3，仅为，仅为SiCw/6061AlSiCw/6061Al复合材料密度的复合材料密度的74%74%，虽然其强度、弹性横量比，虽然其强度、弹性横量比SiCw/6061AlSiCw/6061Al低，但其比弹性模量比低，但其比弹性模量比SiCw/6061AlSiCw/6061Al高，比强度也与之相当。高，比强度也与之相当。材料材料V Vf f/ /% %/g.cm/g.cm-3-3E/GPaE/GPa0.20.2/MPa/MPab b/ /MPaMPa(E/(E/) )/10/103 3m m(/(/) )/1

59、0/103 3m m伸长伸长率率/%/%SiCwSiCwAZ9lAZ9l( (酸性磷酸铝酸性磷酸铝粘结剂粘结剂) )20202.082.0886862402403703704.194.1917.917.91.11.1SiCSiC6061A6061A20202.802.801101103003005005003.833.8317.917.92.52.5表表7-16 SiCw/AZ9l7-16 SiCw/AZ9l与与SiCw/6061AlSiCw/6061Al复合材料的拉伸性能复合材料的拉伸性能2022年6月27日星期一45 大量的研究表明，对大量的研究表明，对AZ91AZ91镁合金，其最佳的人工

60、时效温镁合金，其最佳的人工时效温度为度为175175，对镁合金和，对镁合金和SiCw/AZ9lSiCw/AZ9l复合材料进行了复合材料进行了175175时时效处理，图效处理，图7-137-13是是AZ9lAZ9l镁合金和采用酸性磷酸铝粘结剂的镁合金和采用酸性磷酸铝粘结剂的SiCw/AZ91SiCw/AZ91镁基复合材料在镁基复合材料在175175时效的时效硬化曲线。时效的时效硬化曲线。图图7-13 AZ917-13 AZ91镁合金及镁合金及SiCw/AZ91SiCw/AZ91镁基复合材料在镁基复合材料在175175下的时效硬化下的时效硬化2022年6月27日星期一46 表表7-177-17是是