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1、6 金属基体和高性能金属基复合材料,6 金属基体与高性能金属基复合材料,6.1 复合材料的金属基体6.2 高性能金属基复合材料,6.1 复合材料的金属基体(Metal Matrix in High Performance Composite）,6.1.1 金属基体概述6.1.2 用纤维增强金属的原因6.1.3 选择金属基体的原则6.1.4 常用金属基体材料6.1.5 金属的晶体结构与晶体缺陷6.1.6 金属的强化方法,6.1.1 金属基体概述,6.1.1.1 金属基体在复合材料中的作用6.1.1.2 金属基体在复合材料中的体积比6.1.1.3 与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的优势6.1.1.
2、4 利用金属基体制成MMCs的综合性能,6.1.1 金属基体概述,以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称为金属基复合材料(Metal Matrix Composites;简记为MMCs)。例如：硼纤维增强铝、镁、钛及其合金(B/Al、B/Mg、B/Ti）；碳纤维增强铝、镁及其合金（C/Al、C/Mg)；碳化硅纤维增强铝、镁、钛及其合金（SiC/Al、SiC/Mg、SiC/Ti)；氧化铝纤维增强铝及其合金(Al2O3/Al、Al2O3/Al-Li)钨丝增强铜(W/Cu);铬丝增强镍铝金属间化合物(Cr/Ni-Al);,6.1.1.1 金属基体在复合材料中的作用,基体在复合材料中所起的作用主要有
3、：（1）固结增强体，使之成为一整体，保护纤维使之不受环境侵蚀；（2）传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基和陶瓷基复合材料中的贡献；（3）赋予复合材料一定形状，保证复合材料具有一定的可加工性;（4）复合材料的比强度、比刚度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能均与基体密切相关。,6.1.1.2 金属基体在复合材料中的体积比,基体在复合材料中占有很大的体积比：连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50%70%；颗粒增强金属基复合材料中，根据不同性能要求，基体体积比可在90%25%范围内变化，多数为80%90%；短纤
4、维、晶须增强金属基复合材料中，基体体积比在70%以上，一般为80%90%。,6.1.1.3 与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的优势,（1）金属是最古老、最通用的工程材料之一，它们有许多可以借鉴的、成熟的成型、加工、连接方法。在使用寿命等方面有丰富的技术资料；（2）金属材料的模量和耐热性比聚合物高；（3）金属基体强度高，如下页图所示。金属材料还可以通过各种工程途径来进行强化；（4）金属的塑性、韧性好，因此，金属是强而韧（strong and tough)的材料;（5）金属的电、磁、光、热、弹等性能好，有优势向多功能复合材料方向发展。,图6-1 工程材料的断裂能之比较,金属,无机玻璃,未改性的环氧
5、、聚酯和聚酰亚胺,有机玻璃(PMMA),聚砜热塑性(PSF),合成橡胶改性环氧,6.1.1.4 利用金属基体制成MMCs的综合性能,（1）高比强度；（2）高比模量；（3）高的韧性及抗冲击性能；（4）良好的耐热性；（5）良好的耐磨与阻尼性；（6）与增强纤维复合后可以制造低热膨胀系数的、尺寸稳定性好的复合材料；（7）表面耐久性好，对表面裂纹敏感性低；（8）导电导热性强；（9）对温度变化或热冲击的敏感性低；（10）抗腐蚀性好；（11）无放气污染；（12）不吸湿、不老化、防燃、抗辐射；（13）性能再现性好；（14）便于制造、成型、加工、连接和精整。,6.1.2 用纤维增强金属的原因,6.1.2.1 为
6、什么要用纤维增强金属？6.1.2.2 用高模量纤维增强金属的意义,6.1.2.1 为什么要用纤维增强金属？,虽然沉淀强化或弥散强化可以提高金属材料的屈服强度和加工硬化率，但对改善材料的弹性模量作用不大。这是由于第二相粒子主要是通过阻碍金属中的位错运动来提高其强度。而金属颗粒本征的高模量没有发挥出来。因此，通过加入强化相(例如高模、高强纤维）来获得材料模量的提高，便成为强化金属材料的最新途径。同时，大多数高模量增强纤维的密度远低于金属（除钨以外）。因此，可以通过在金属基体中掺杂高模量纤维来提高材料的比模量。,表6-1 一些商用金属及其合金的密度(g/cm3)Metal Density Metal
7、 DensityAluminum 2.7 Lead 11.5Beryllium 1.8 Nickel 8.9Copper 8.9 Silver 10.5Gold 19.3 Titanium 4.5Iron 7.9 Tungsten 19.3,表6-2 一些增强纤维的密度(g/cm3),Fiber Density Fiber DensityB(W芯)2.6 B(C芯)2.23粘胶基HTC 1.6 沥青基HMC 2.2PAN基HTC(T300)1.75 PAN基HMC(M40)1.81SiC(W芯)3.16 SiC(C芯)3.07Nicalon 2.55 Tyranno 2.35Hi-Nicalo
8、n 2.20-SiC晶须 3.2FP-Al2O3 3.9 住友-Al2O3 3.3ICI-Al2O3 3.25 3M-Al2O3 2.59单晶Al2O3 4.0,6.1.2.2 用高模量纤维增强金属的 意义,对于结构应用来说，常常涉及到弯曲和压缩载荷(flexural and compression loading)。例如飞机(plane)、火箭(rocket)或汽车(truck)中的梁(beams),要求它们的 E/2 的值尽可能大，则其质量 M 才能减小。考虑一个简单正方截面的悬臂梁，其长度为l；厚度为t；施加力p。忽略自重，则这个梁的弹性挠度(the dlastic deflection
9、)可由下页公式给出。,弹性挠度=(pl3/3EI)式中，t厚度；I惯性矩，在此情况下，I=t4/12；p载荷。已知梁的质量 M=lt2 t4=M 2/(l22)M=(4l5p/)(2/E)1/2因此，对于一个给定刚性率（p/）的结构，当参数E/2最大时，可以获得最小的质量,即E1/2/M。E1/2/为材料的弯曲比模量。,用高模量纤维增强金属的意义,用高模量纤维增强金属的意义,同理，我们采用其他简化的模型，可以推导得出不同承载形式下的材料性能指标。所谓材料指标，指的是给出传递长度和载荷时，决定其结构件重量的指标。若材料指标大，就意味着可以轻量化。下页表给出各种结构件受到各种载荷以及用各种适用的极
10、限条件来决定设计时的结构材料指标。,表6-3 结构件的材料指标,构件 载荷 极限条件 材料指标 备注 棒 拉伸 破坏 B/强度指标 棒 拉伸 延伸 E/变形指标 棒 弯曲 破坏 B/强度指标 棒 弯曲 挠曲 3 E/变形指标 棒 压缩 屈曲 E/屈曲指标 平板 压缩 屈曲 3 E/屈曲指标 圆筒 压缩 屈曲 E/屈曲指标 圆筒 弯曲 屈曲 ER/屈曲指标,国防科技大学航天与材料工程学院,由上面的简单分析可知使用B、E、的纤维增强金属在结构应用中的意义。从理论上解释了用模量高且密度低的纤维增强金属的原因。用纤维增强金属将使复合材料结构具有更高的比强度与比模量。,用高模量纤维增强金属的意义,6.1
11、.3 选择金属基体的原则,6.1.3.1 金属基复合材料的使用要求 6.1.3.2 金属基复合材料的组成特点6.1.3.3 基体与增强材料的相容性,选择金属基体的原则,基体种类及成分的正确选择，对能否充分组合和发挥基体金属和增强材料的性能特点、获得预期的优异的综合性能以满足使用要求十分重要。在选择基体金属时应考虑金属基复合材料的使用要求、组成特点和基体与增强体的相容性。,国防科技大学航天与材料工程学院,6.1.3.1 金属基复合材料的使用要求,（1）在航天、航空领域性能要求：比强度高、比模量高、尺寸稳定性高。作为航天飞行器和卫星的构件时，基体应选用密度小的轻金属合金：镁合金、铝合金；增强体应选
12、用高强度、高模量的连续石墨纤维、硼纤维等。,金属基复合材料的使用要求,（2）高性能发动机性能要求：高比强度、比模量、优良的耐高温持久性能、能在高温氧化性气氛中长期工作。基体选用钛基合金、镍基合金及金属间化合物；增强体选用碳化硅纤维（增强钛合金）、钨丝（增强镍基超合金）等。制作喷气发动机叶片、传动轴等零件。,金属基复合材料的使用要求,（3）汽车发动机性能要求：耐热、耐磨、热膨胀系数小、一定的高温强度、成本低廉和适合于批量生产。基体选用铝合金；增强体选用碳化硅颗粒、氧化铝短纤维和碳短纤维等。制作发动机活塞、缸套、连杆等零件。,金属基复合材料的使用要求,（4）电子工业集成电路性能要求：高导电、高导热
13、、低热膨胀系数。基体选用导电、导热性能优异的银、铜、铝等；增强体选用高模量石墨纤维等。制作散热元件和基板等。,6.1.3.2 金属基复合材料的组成特点,（1）连续纤维增强金属基复合材料基体的作用是保证纤维性能的充分发挥，因为纤维是主要承载相，它们本身的强度已经非常高（如高强度碳纤维的最高强度已高于7GPa)。基体应有好的塑性和与纤维良好的相容性。不需要基体有高强度和高模量，也不需要基体金属具有热处理强化等性质。在研究碳/铝复合材料中已得到证明。,图6-2 不同铝合金性能与复合材料性能的比较,金属基复合材料的组成特点,（2）非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料基体是主要承载相，基体的强
14、度对复合材料的性能具有决定性的影响。欲获得高性能的复合材料，必须选用高强度的、能热处理强化的合金为基体。,6.1.3.3 基体与增强材料的相容性,在制造金属基复合材料过程中，如果基体不润湿增强体、或与增强体发生化学反应，则它们之间的相容性不好。所以，需选用既有利于基体与增强体良好润湿，又有利于形成合适的、稳定的界面的合金元素。如在碳/纯铝复合材料的基体中加少量钛；不宜选用易破坏碳纤维结构的铁、镍基合金作为碳纤维复合材料的基体。,6.1.4 常用金属基体材料,6.1.4.1 铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金6.1.4.2 结构复合材料的金属基体6.1.4.3 功能复合材料的金属基体,6.1
15、.4.1 铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金,铁及铁合金称为黑色金属除钢铁以外所有的其他金属统称为有色金属，如铝、铜、镁、钛、钨等。金属与非金属、金属与金属之间形成的化合物称为金属间化合物，如钛铝、镍铝、铁铝等。高温合金主要是镍基、铁基合金。,铝、镁、钛、铜和金属间化合物,MMCs常用金属基体有：铝（Aluminum）及其合金镁（Magnesium）及其合金钛（Titanium）及其合金铜（Copper）及其合金镍（Nickel）及其合金不锈钢（stainless steel）金属间化合物(Intermetallic compounds),（1）铝及铝合金,1）概述 纯铝：元素周期表中第三
16、周主族元素，面心立方点阵，无同素异构转变。比重为2.7g/cm3,熔点661，拉伸强度80MPa,延伸率（30-50）%，断面收缩率80%。铝具有优良的导电、导热性（仅次于Ag、Cu、Au)。化学性质活泼，生成的氧化膜连续、致密，在大气中抗蚀（但不耐NaCl和 NaOH）。铝在地壳中蕴藏量丰富（占地壳元素组成的7.45%,仅次于氧和硅，比铁的还多）。,铝及其合金,铝的历史：1827年，德国沃勒发现铝元素1854年，法国德维尔用钠置换法制取铝，成本高。1886年，霍尔（美）-埃鲁（法）发明电解法制铝，使成本大大下降。1919年，研制出第一架铝制飞机。自二战以来，铝的用途产泛。因为铝的比强度高，在
17、飞机上占结构材料的70%，每架飞机上有50万个硬铝铆钉。,铝及铝合金,2）纯铝及铝合金的分类、牌号 a.纯铝 L1-L7 用于实验，高纯度铝L0用于配制铝合金或制作导线、电缆及用于化学工业。b.铸造铝合金ZL101-ZL104 铸造铝合金具有良好的铸造性能，还具备铸件足够的机械性能。c.变形铝合金：铸造铝合金经冷、热压力加工形成的各种型材。要求组织中没有过多的脆性第二相。用下页相图来说明：,图6-3,铝及铝合金,变形铝合金的分类、牌号防锈铝 Al-Mg系、Al-Mn系：如LF2(5052)、LF21(3003)硬铝 Al-Cu-Mg系：如LY12（2024）锻铝 Al-Mg-Si-Cu系：如L
18、D2（6061）、LD10（2014）超硬铝 Al-Mg-Zn-Cu系：如LC4（7075）,铝及铝合金,铸造铝合金的强化途径：变质处理不同程度的时效变形铝合金的强化途径：加工硬化固溶强化固溶处理+自然时效（或人工时效）细晶强化（加入微量钛、锆、铍及稀土元素）,（2）铜及铜合金,1）概述纯铜：玫瑰红色，面心立方结构，无同素异构转变。熔点1083，密度8.94g/cm3,抗拉强度225MPa,硬度HB40-50,延伸率50%。铜具有良好的导电性和导热性，良好的耐腐蚀性，在室温下轻微氧化，形成薄的氧化膜。可承受冷、热加工。,铜的历史：人类在新石器时代有两大发明：制陶和冶铜。火的使用 高温条件 陶制
19、坩埚 治铜（铁）我国历史上的铜器时代，距今六千年距今二千五百年。铜的冶炼开始于夏朝末年。郭沫若考证，在殷商时代有青铜器铭文和甲骨文，称为“金石并用”时代。,铜及铜合金,铜及铜合金,2）纯铜分类及牌号工业纯铜:如T1-T4。用于导电、导热器件、化工、磁学仪器、石油工业。无氧铜（含氧量不大于0.003%)：Tu1、Tu2、TuP（磷脱氧铜）、MnTu（锰脱氧铜）。主要用于电真空器件和焊接铜材。,铜及铜合金,3）铜合金的分类及牌号A)黄铜（brass)：铜-锌(Cu-Zn40%)合金。性能：工艺性能好、力学性能好、抗腐蚀性能好、导电、导热性能好、价格低、密度比纯铜小、色泽美观。应用于航空航天和船舶工
20、业。黄铜又分为简单黄铜（如H70、H68）和复杂黄铜（如铅黄铜HPb59-1）。,铜及铜合金,B)青铜(bronzes)青铜原指铜-锡合金，近数十年来，工业上习惯于把除黄铜、白铜以外的铜合金统称为青铜，如：锡青铜（Cu-Sn6%）：优异的耐蚀性能、抗磁性好、减摩性和低温韧性好。铝青铜Cu-Al（5%-12%）：铸造性能好、耐腐蚀性能好、力学性能好、耐磨性好。铍青铜Cu-Be（1.6%)-2.5%:弹性极限、疲劳强度、耐磨性和抗蚀性高，良好的导电、导热性。硅青铜Cu-Si（1%-4%）：弹性好、耐蚀性极强、强度高，良好的铸造性能和冷、热加工性能。,铜及铜合金,C)白铜(cupronickel)铜
21、-镍(Cu-Ni50%)合金。分为普通白铜和特殊白铜（在普通白铜中加入锌、锰、铁、铝等）白铜的性能：综合力学性能高，优良的耐蚀性、较高的电阻率。应用于船舶仪器、仪表、化工机械、医疗器械零件。,（3）镁及镁合金,镁为密排六方(hcp)晶体结构，熔点651，比重1.74g/cm3，弹性模量40GPa。镁合金分为两类：铸造镁合金 牌号如ZM3(含Mg、Al、Zn、稀土、Zr）形变镁合金 牌号如MB2、MB25(含Mg、Al、Zn、Mn),（4）钛及钛合金,1）概述纯钛熔点1660，密度4.5g/cm3，耐腐蚀、抗氧化（550长期使用）。具有同素异构转变：882以上，为-Ti(bcc)；882以下，为
22、-Ti(hcp)。,钛及钛合金,2）纯钛及钛合金的分类及牌号高纯钛工业纯钛：TA1、TA2、TA3钛合金：型：TA4、TA5、TA6、TA7(Ti-5Al-2.5Sn)型：TB1、TB2（Ti-3Al-Mo-11Cr)（+）型：TC4(Ti-6Al-4V),（5）金属间化合物,1)概述在纯金属中加入合金元素后，可以形成固溶体或化合物。当溶质含量超过固溶体的溶解能力时，由于组元间相互作用，将形成金属-金属或金属-非金属的化合物，称为金属间化合物。金属间化合物是具有不同于母体金属结构的新相。它具有金属性能，如有金属光泽、金属键结合（但其电子云具有方向性）、导电、导热、熔点高、硬度高。同时，它还具有
23、共价键特征。,2）金属间化合物的应用及分类A)应用作为合金的强化相；作为定向凝固共晶复合材料中的强化相；制作耐高温、多功能复合材料。B)金属间化合物为基的复合材料的分类结构类复合材料：如Al-NiAl、Al-AlCu2、Ni-Ni4W等；功能类复合材料：如铁磁性MnBi/Bi、磁/阻材料InSb-NiSb、半导体效应SnSe/SnSe2。,金属间化合物,（6）镍基、铁基高温合金,耐热合金也称高温合金。是指在高温下具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变和疲劳性能的金属材料。镍基高温合金以镍铬为主要成分；铁基高温合金以铁铬镍为主要成分。按加工工艺分为变形高温合金和铸造高温合金两类。,表6-4 高温金属基复合材
24、料用基体合金的成分及 性能,基体合金及成分 密度/gcm-3 持久强度/MPa 高温比强度/103m(1100，100h)(1100，100h)Zh36 Ni-12.5Cr-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti 12.5 138 112.5 EPD-16 Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb 8.3 51 63.5Nimocast 713C Ni-12.5Cr-2.5Fe/2Nb-4Mo-6Al-1Ti 8.0 48 61.3Mar-M322E Co-21.5Cr-25W-10Ni-3.5Ta-0.8Ti-48-Ni-25W-15Cr-2Al-2Ti 9.15 23 25.4,(7
25、)金属的性能,表6-5 某些金属和合金的力学性能 E r max K1c(GPa)(MPa)(MPa)(MPam1/2)Aluminum 70 40 200 100Copper 120 60 400 toNickel 210 70 400 350Ti-6Al-4V 110 900 1000 120Aluminum alloys 70 100-380 250-480 23-40Plain Carbon steel 210 250 420 140Stainless steel 195 240 365 200,金属典型的工程应力应变曲线,25%,力应,应变,r 屈服点,低碳钢,铝,图6-4 两种传统
26、金属的应力应变曲线（表明它们具有很宽的塑性变形范围）,6.1.4.2 结构复合材料的金属基体,对用于各种航空、航天、汽车、先进武器等结构复合材料金属基体的要求：高比强度和比刚度高的结构效率不同基体金属基复合材料的使用温度范围：450 650 1200铝及铝合金、钛合金 金属间化合物、镁及镁合金 镍基、铁基 耐热合金,6.1.4.3 功能复合材料的金属基体,对用于电子、信息、能源、汽车等工业的功能复合材料金属基体的要求：较高的力学性能、高导热、低热膨胀、高导电、高抗电弧烧蚀、优良的摩擦性能。例如用于电子领域的集成电路，由于集成度提高，单位体积中的元件数增多使功率增大，发热严重，需要用导电好、热膨
27、胀系数小、导热率高，又有较高强度和刚度的材料做基板，支持电极和封装零件。单一金属材料难以满足这些综合要求。,功能复合材料的金属基体,用于电子工业的金属基复合材料有：碳化硅/铝、碳化硅/铜、石墨/铝、石墨/铜、金刚石颗粒/铝、金刚石/铜、金刚石纤维/铝、金刚石纤维/铜、硼纤维/铝；用于耐磨零件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝颗粒、晶须、纤维和石墨颗粒增强铝、镁、锌、铅等金属和合金。,功能复合材料的金属基体,用于集电和电触头的金属基复合材料有：碳（石墨）纤维、金属丝、石墨颗粒增强铝、铜、银等金属和合金。用于耐腐蚀的电池极板的金属基复合材料主要是：碳（石墨）纤维增强铅（合金）。,6.1.5 金属的
28、晶体结构和晶体缺陷（The Crystal Structure and the Crystal Defects of Metal）,6.1.5.1金属的晶体结构已通过XRD证实，除非晶态合金（也称金属玻璃，metallic glasses)外，所有的固态金属都是晶体。所谓晶体就是由许多质点（质子、离子、分子）在三维空间呈周期性、有规则排列所构成的固体。晶体纯物质与非晶体纯物质的区别有以下两点：晶体有固定熔点；晶体具有各向异性（影响材料的塑性变形、导电、导热等性能）,空间点阵：为了研究晶体结构的方便，把构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）抽象成纯粹的几何点，这些点在空间呈周期性规则排列并具有相
29、同的周围环境，该模型称空间点阵。晶胞：空间点阵可看成是由一系列称作晶胞的平行六面体组成。晶胞是组成晶体的最小单元。点阵参数：晶胞具有6个几何参数：即平行六面体中交于一点的三个棱边（a、b、c）及棱间夹角（、）。,（1）晶体结构知识的回顾,国防科技大学航天与材料工程学院,晶系：按照6个点阵参数的不同，可把全部空间点阵归属于7种类型，称7种晶系：,三斜晶系 abc,90单斜晶系 abc,=90 正交晶系 abc,=90六方晶系 a1=a2=a3c,=90,=120 菱方晶系 a=b=c,=90四方晶系 a=bc,=90立方晶系 a=b=c,=90,简单三斜简单单斜 底心单斜简单正交 底心正交 体心
30、正交 面心正交简单六方 菱形（三角）简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方,布拉菲点阵：按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，用数学方法确定，只能有14种空间点阵，称为布拉菲点阵。,晶胞分类,1）简单晶胞绝大部分常用金属都具有简单晶胞结构，如体心立方、面心立方和密排六方（属于简单六方点阵）。2）复合晶胞建议同学们查阅：胡庚祥，钱苗根.金属学.上海科学技术出版社，1980.进一步了解14种布拉菲点阵的名称及表征晶格的几何参数。,阵点坐标从原点到空间点阵的某一阵点沿晶轴所作的矢量分量。晶面指数晶面在各坐标轴上截距倒数，用(hkl)表示。晶向指数该晶向上的一点，在各坐标轴上的矢量分量用uv
31、w表示。建议同学们课下进一步熟悉下述概念：晶面族、晶向族、晶带、晶面间距、致密度、配位数和原子半径。,描述晶胞的参数,（2）常用金属材料的晶体结构,绝大多数金属具有如下三种简单晶体结构：面心立方（face centered cubic，简记为fcc）包括Al、Cu、Ni、Au、Ag、-Fe 体心立方（body centered cubic，简记为bcc）包括-Fe、W、Mo、V、-Ti 密排六方（Hexagonal close packed，简记为hcp）包括Mg、Zn、Ti,图6-5 面心立方、体心立方和密排六方的晶胞,面心立方晶胞,体心立方晶胞,密排六方晶胞,需要指出的是：当外界条件（T，
32、P）改变时，许多金属发生晶型转变同素异构转变（如铁）：912 bcc-Fe（纯Fe）9121394 fcc-Fe 13841538 bcc-Fe.另外，同一种金属，若晶体结构不同，材料性质截然不同：白锡-Sn 正方结构 塑性好灰锡-Sn 金钢石结构 脆（灰锡和白锡是金属锡在不同温度下的同素异构体）,表6-6 一些重要金属的晶体结构,fcc bcc hcpIron(910-1390)Iron(T1390)Titanium*Nickel Beryllium(T1250)Beryllium(T427)Cobalt(T427)Aluminum Tungsten Cerium(-150T-10)Gold
33、 Molybdenum ZincLead Chromium MagnesiumPlatinum Vanadium Zirconium*Silver Niobium Hafnium*(T1950)*在不同温度下，经历bcchcp的转变。,6.1.5.2 金属的晶体缺陷,何谓晶体缺陷？晶体缺陷：在实际晶体中原子的排列不像理想晶体那么规则、完整，而是或多或少存在各式各样的偏离规则排列的不完整区域，将它们称为晶体缺陷。按几何形状不同。晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷4种。位错等晶体缺陷直接影响金属材料的力学、物理性能。,点缺陷亦称零维缺陷。包括空位、自填隙原子、杂质或溶质原子。点缺陷所引起
34、的晶格周期性破坏，只发生在一个或几个晶格常数范围。点缺陷的产生是由于原子的热振动。,（1）点缺陷,在一定温度下，点缺陷在晶体中具有一定的平衡浓度。平衡浓度决定了金属的力学、理化性能。点缺陷浓度是动态平衡（一方面，原子热振动产生点缺陷；另一方面，空位与间隙原子复合减少点缺陷）。因此，晶体中的点缺陷在不断产生、运动、消失的变化过程中。自高温淬火、塑性加工或高能粒子辐照，能使金属点缺陷的浓度增加，超过该温度下的平衡浓度，称为过饱和。,点缺陷,点缺陷（空位）的热力学平衡浓度Cv：Cv=A exp(-EV/kT)式中，A=exp(sf/k),是由振动熵Sf决定的系数；Ev为空位形成能；k为玻尔兹曼常数；
35、T为绝对温度。由式可见：a.晶体中的空位浓度热力学稳定，一定温度对应有一空位平衡浓度。b.空位浓度与温度呈指数关系，温度越高，则空位平衡浓度越大。,点缺陷,过量空位对材料性能影响：a.对电性能的影响：空位点阵畸变散射传导电子产生附加电阻，使电阻增大。b.对机械性能的影响：过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷等）能提高金属的屈服强度。c.对其他物理性能的影响：点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。,点缺陷,（2）线缺陷位错(dislocation),位错为线缺陷，也称为一维缺陷。沿空间某一方向尺寸很长，另两个方向尺寸很短。位错学说是研究金属塑性变形的理论基础，也对金属的强度和断裂起着决定性的作用。
36、此外，位错对金属的扩散、相变过程也有较大的影响。位错有刃型位错，螺型位错两种基本类型。用透射电子显微镜可以观察到纯金属中的位错。,图6-6 透射电镜暗埸下钢中位错（白色线条）的观察。在照片中还观察到一些沉淀相的颗粒。,位错,刃型位错的图象刃型位错是某一原子平面在晶体内部中断（称为多余半原子面），此半原子平面中断处的边缘（线）是原子错排区域，称为刃型位错。刃型位错也可以看成是位错已滑移区与未滑移区的交界线。,图6-7 刃型位错的运动：在剪切应力的作用下，位错沿着滑移面柏氏矢量b的方向逐步运动。,b,滑移面,图6-8 刃型位错的运动类似于事先弓起的地毯的移动。它所需要的力是很小的。,位错,描述位错
37、及其运动的基本概念柏格斯矢量（Burgers vector）b标志位错线运动方向和大小的矢量。位错线t：平行于多余半原子面的底部（位错）的方向。滑移面：由柏氏矢量b和位错线t构成的原子面。,刃型位错（edge dislocation）：因tb，所以，刃型位错只有一个滑移面，且位错运动方向与位错线垂直；螺型位错(screw dislocation),：因t b，所以，螺型位错具有多个滑移面。且位错运动方向与位错线平行。混合位错：刃型位错与螺型位错的混合形式称为混合位错。（螺型位错和混合位错的图象参看胡庚祥，钱苗根.金属学.上海科学技术出版社，1980.）,位错,6.1.6 金属的强化方法（con
38、ventional strengthening methods）,6.1.6.1 加工硬化（应变硬化）6.1.6.2 细晶强化6.1.6.3 固溶强化6.1.6.4 沉淀硬化6.1.6.5 弥散强化6.1.6.6 热处理强化6.1.6.7 非晶态金属,何谓加工硬化？在金属塑性变形过程中，随着外加应力的增大，金属的变形抗力也增加的现象。加工硬化机制：位错运动位错在障碍前塞积位错间互相交割亚晶粒（位错胞）形成位错网络（变形后金属的位错密度提高）阻止其他位错运动材料得到强化。,6.1.6.1 加工硬化（应变硬化）（work strengthening hardening）,应力与位错密度的关系,D.
39、B.Marshall.J.Am.Ceram.Soc.67.c259(1984)及许多用位错运动受阻的理论解释加工硬化现象的研究均表明：屈服应力与位错密度1/2存在线性关系：=0+Gb1/2 式中，0为滑移面上不存在其他位错时，移动一根位错所需的剪切应力；G为材料的剪切模量；b为柏氏矢量；为与晶体结构有关的常数。,前述的加工硬化机制是以位错与位错之间的交互作用为基础。位错与其它种类障碍（如晶界、溶质原子、沉淀相）的交互作用，对金属的加工硬化形成多种解释和理论。所有这些理论都提出了与的上述关系。加工硬化中，还存在另一个很重要的关系（Hall-Petch公式）：=0+Gb/（D 1/2)D-式中，D
40、晶粒或亚晶粒的平均直径。,加工硬化,6.1.6.2 细晶强化,用上述 Hall-Petch 公式可以解释细晶粒金属比粗晶粒金属的强度高。因此，可以采用变质处理、淬火、合金化、变形及热处理等方法来细化晶粒。当晶粒组织细化时，在使金属强化的同时，还能改善其韧性(toughness)，从而使金属的综合性能提高。,6.1.6.3 固溶强化,在金属中引入异类原子（亦称溶质原子，solute atoms)，能使金属产生固溶强化。例如，在铁中引入溶质原子（如碳、氮)，能形成间隙原子；加入锰或硅,能形成置换原子。从而使钢获得固溶强化（solid solution hardening)。,6.1.6.4 沉淀硬
41、化(precipitation hardening),一定成份的合金具有固态溶解度的变化，先将其加热至溶解度曲线以上的温度，再急冷，获得过饱和固溶体。这个过程称为固溶处理。在室温或升温条件下，从过饱和固溶体中析出弥散分布的第二相（沉淀相）颗粒，这个过程称为时效。沉淀相对位错运动起阻碍作用，从而使合金强化（亦称时效强化）。沉淀硬化的例子：用于飞机工业的Al-Cu和Al-Cu-Mg合金。,6.1.6.5 弥散强化,弥散强化有两种方法：人工将较小体积分数（0.5-3.0）vol%的微细、坚硬颗粒用粉末冶金法使其在韧性基体中弥散分布，从而阻碍位错运动，增大基体金属的变形抗力。通过液体金属内氧化方法，凝
42、固后产生氧化物弥散强化(oxide dispersion strengthening)的金属材料。例如，Al2O3颗粒分布在Al基体中）。这种材料一般具有很高的高温强度保留率。,6.1.6.6 热处理强化,钢在淬火后获得马氏体，这是最著名的强化方法。能够获得高强度、高硬度。强化机制：过饱和碳原子造成的固溶强化时效强化（析出碳化物颗粒）相变引起的晶格畸变和马氏体中孪晶亚结构引起的强化,6.1.6.7 非晶态金属,通过把金属以极限速度（107K/S）冷却，会产生非常独特的微观结构类似过冷液体的结构，称为非晶态结构。非晶态金属亦称金属玻璃。这种快速凝固材料的微细粉末或条带，可以通过热压、热等静压或热
43、挤制加工成块材。非晶态结构的晶粒尺寸小于1m。含溶质的浓度远远超过其溶解度，不存在第二相颗粒，具有优异的力学性能。,6.1 思考题,试述金属的性能及选择金属基体的原则。说明常用金属的三种晶体结构并指出铝、镁、铜、银、铁、锌的晶体结构。试述金属的晶体缺陷类型。试述金属的传统强化方法。试述用纤维增强金属的原因。试述对结构用和功能用金属基复合材料的金属基体的要求。,6.2 金属基复合材料,6.2.1 金属基复合材料概述6.2.2 金属基复合材料的制造方法6.2.3 金属基复合材料的结构与性能6.2.4 金属基复合材料的应用,金属基复合材料（Metal Matrix Composites；简记为MMC
44、s)60年代，B纤维增强6061铝基复合材料（Bf/Al）开始得到应用；与此同时，制造出定向凝固共晶复合材料。70年代，碳纤维增强金属基复合材料被成功地制造。70年代中期以后，随着SiC、Al2O3等增强纤维的开发与应用，金属基复合材料在世界范围迅速发展。,6.2.1 金属基复合材料概述,MMCs体系中比较重要的有：Bf/A1 Cf/A1 SiC(连续SiC纤维、SiC晶须、SiC颗粒)/A1Al2O3/A1与Al2O3/Mg共晶和原位复合材料,金属基复合材料概述,金属基复合材料概述,MMCs的特性与应用潜力：MMCs具有如下特性：高的比强度、高的比模量、好的韧性，比聚合物基复合材料高的使用温
45、度。金属基体优秀的韧性和良好的环境抗力是MMCs发展的最大潜力。由此决定了 MMC构件在航天、航空、汽车、医疗、体育用品等领域的重要应用。本章介绍MMCs的制造方法、性能及重要应用。,6.2.2 金属基复合材料的制造方法,6.2.2.1 对MMCs制造技术的要求6.2.2.2 MMCs制造方法分类6.2.2.3 固态制造技术6.2.2.4 液态制造技术6.2.2.5 其他制造技术,用于制造纤维增强金属复合材料的方法很多。但较新的制造方法是在70和80年代以后开发的。尽管MMC可以通过二次加工方法最终成型，但是，在改进工艺过程更注意降低成本的复合材料零件的净成形，这将是MMC商业化成功的关键。在
46、制成复合材料之前,金属基体可以是熔融的、粉末的、分子的或板箔的形式。,6.2.2 金属基复合材料的制造方法（Fabrication Method of MMCs）,6.2.2.1 对MMCs制造技术的要求,在选择组元时要注意纤维的力学性能与化学性能、纤维与基体二者的物理和化学相容性。在设计复合材料时，要合理确定纤维的体积分数、堆积与排列方式；要注意基体材料可承受的加工温度与工作温度。,对MMCs制造技术的要求,在选择复合方法时必须注意：在操作过程中保护增强体和金属基体的强度，力求最大限度地减小对高性能增强体的损伤，并使增强体与金属的优良性能得以叠加和互补；使增强体以设计的体积分数和排列在基体中
47、达到预定的定向与均匀分布。尽量避免增强体与金属基体之间发生各种不利的化学反应，得到合适的界面结构和性能，以充分发挥增强体的增强效果。工艺方法简单易行，适于批量生产，尽可能净成型。,6.2.2.2 MMCs制造方法分类,70年代以来MMC制造方法日趋成熟，可分为：固态（Solid state）制造工艺液态（Liquid State）制造工艺其它制造工艺 前两种方法中，有时要先对纤维进行表面处理或制作纤维/基体预制丝（precursor wire），准备后期固结或二次加工。下面简要介绍纤维表面改性与预制丝制作技术。,（1）纤维表面处理的目的及技术,纤维表面涂覆适当材料薄的涂层的目的：(a)防止和抑
48、制界面反应（涂层可以是阻挡层或牺牲层），以获得合适的界面结构和结合强度；(b)改善增强体与基体间的润湿与结合。(C)涂层有助于纤维规则排列（当用磁性涂层时）；(D)涂层可减少纤维与基体之间的应力集中（当涂层较厚或有塑性时），但在采用这种涂层时必然要使制造工艺复杂化从而成本提高。,纤维表面处理的目的及技术,例1：Bf 涂SiC、B4C，分别与Al、Ti基体复合。其中具有SiC涂层的B纤维商品名为Borsic。SiC和 B4C涂层由CVD法制备，SiC来源于氢气与甲基三氯硅烷，涂层厚度(23)m。处理后的Bf纤维适用于高温制造（500）和高温环境（300）下工作；B4C涂层5m，涂层微观组织结构为
49、非晶态。与Al、Ti合金复合后，高温力学性能好于基体。,纤维表面处理的目的及技术,例2：Cf/Al体系的纤维表面处理Cf表面沉积Ti-B是通过还原TiCl4和BCl3，用CVD法将产物Ti-B（主要为 TiB2）共沉积在C纤维上，还原剂为Zn蒸气。涂层厚度与热处理工艺参数有关：650/6min时涂层厚度为20nm。沉积Ti-B的Cf束丝（也可称为预制丝）通过熔融Al液浸渍，制成Cf/Al预制丝（或带）,铺排后固态热压得到C/Al复合材料构件。,纤维表面处理的目的及技术,纤维表面处理的技术:可以进行梯度涂层（即覆以双征或多重涂层）化学气相沉积物理气相沉积溶胶凝胶处理电镀化学镀,MMCs制造方法分
50、类,固态法是指基体处于固态制造金属基复合材料的方法。在某些方法中（如热压）允许有少量液相存在。由于制造温度低（相对于金属基复合材料的其他制造方法），所以金属基体与增强体之间的界面反应不严重。固态法包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、热挤压法、热拉拔法和爆炸焊接法等。,MMCs制造方法分类,液态法是指金属基体处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的制造方法。可以采用加压浸渗、增强体表面（涂覆）处理、基体中添加适当合金元素等辅助措施。液态法的制造温度较高，在制造过程中，需严格控制浸渗温度、液态基体与固态增强体的接触时间等工艺参数。液态法包括真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属
