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难熔金属基复合材料的高温蠕变行为研究高温蠕变行为研究——难熔金属基复合材料引言难熔金属基复合材料具有高强度、高硬度、优异的热稳定性和耐磨性等特点，因此在航空航天、能源领域等高温环境下的应用越来越广泛。
然而，在高温条件下，难熔金属基复合材料的蠕变行为却是一个重要的挑战。
本文旨在探索难熔金属基复合材料在高温下的蠕变行为，并分析其机制与影响因素，为材料设计与工程实践提供参考。
一、高温蠕变行为的基本概念蠕变是指材料在高温下的长期变形过程，可以分为三个阶段：原始蠕变、稳定流动蠕变和加速流动蠕变。
原始蠕变通常在短时间内发生，并且变形速度较快；稳定流动蠕变是蠕变过程的主要阶段，变形速度逐渐减慢；加速流动蠕变是蠕变的最后阶段，在此阶段变形速度加快。
高温蠕变行为的研究对于评估材料的长期使用稳定性和可靠性至关重要。
二、难熔金属基复合材料的高温蠕变行为1. 结构特点难熔金属基复合材料常由金属基体和强化相组成。
金属基体通常具有高熔点、高抗拉强度和较高的导热性能；强化相则用于增强复合材料的硬度和强度。
这种复合结构使得难熔金属基复合材料在高温下具有较好的力学性能和耐磨性能。
2. 蠕变机制难熔金属基复合材料的高温蠕变行为主要由两种机制共同作用：晶体滑移和晶体再结晶。
在高温下，晶体滑移是材料的主要变形机制，当变形温度升高时，晶体滑移的速度也会加快。
晶界滑移还是另一个重要的蠕变机制，它与晶界的位错滑移相结合以实现材料的变形。
3. 影响因素（1）温度：温度是影响蠕变行为的最重要因素之一。
高温下，材料内部原子扩散速率加快，晶体之间的相互滑移增加，导致材料的蠕变速率加快。
（2）应力：应力是蠕变行为的驱动力。
随着应力的增加，材料的蠕变速率也会增加。
但当应力达到一定程度后，蠕变速率将保持稳定或下降。
（3）时间：时间是蠕变行为的另一个重要因素。
随着时间的延长，材料的蠕变速率会逐渐减慢，并趋向稳定。
这是因为材料内部的位错密度逐渐增加，导致晶体之间的滑移难度增大。
金属基复合材料发展现状金属基复合材料是由金属基体和其中添加的一种或多种非金属材料组成的复合材料。
金属基复合材料具有金属的导热性、导电性以及优良的机械性能，同时又具有非金属材料的轻量化、耐腐蚀性、高温性等优点。
目前，金属基复合材料在航空航天、汽车制造、电子电器等领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，金属基复合材料可以用于制造航空器的结构部件，如飞机机身、翼面板等。
由于金属基复合材料具有高强度、高刚度和低密度的特点，可以有效地减轻飞机的重量，提高飞机的耐久性和燃油效率。
同时，金属基复合材料还具有优良的抗冲击性能和低温性能，能够提供更安全可靠的航行环境。
在汽车制造领域，金属基复合材料可以用于制造汽车的车身和零部件。
由于金属基复合材料具有良好的耐腐蚀性和高温性能，可以在恶劣的环境下保持车身的整体稳定性和外观质量。
同时，金属基复合材料还具有较低的热膨胀系数和良好的热导性能，能够提高发动机的热效率和汽车的运行效率。
在电子电器领域，金属基复合材料可以用于制造电子器件的导热基板和散热器。
由于金属基复合材料具有高导热性和良好的热导性能，能够有效地将电子器件产生的热量迅速地传导到散热器上，保证电子器件的正常工作和长寿命。
同时，金属基复合材料还具有良好的电磁屏蔽性能和机械强度，能够保护电子器件免受外界干扰和振动影响。
尽管金属基复合材料在各个领域得到了广泛的应用，但是其研究和应用还面临一些挑战。
首先，金属基复合材料的制备工艺复杂，需要考虑到金属基体与非金属材料之间的相容性和界面相互作用。
其次，金属基复合材料的成本较高，限制了其在大规模工业生产中的应用。
最后，金属基复合材料的性能和寿命还存在一定的局限性，需要进一步的研究和改进。
总的来说，金属基复合材料作为一种新型的结构材料，具有广阔的发展前景。
随着科学技术的不断进步和人们对材料性能要求的提高，金属基复合材料将会得到更多的研究和应用，并在未来的发展中发挥更重要的作用。
金属基复合材料简介及研究现状董超30907012041 金属0902 材料科学与工程学院摘要:本文介绍了金属基复合材料的研究状况与发展展望。
介绍了它的定义、分类、性能特征并归纳了它的制备工艺。
对金属基复合材料的现存问题进行了一定的分析与总结。
最后对金属基复合材料的发展前景做出展望。
关键词：金属基复合材料、制造工艺、研究现状、存在问题、发展前景一、复合材料简介复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观的形式复合而成的多相材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。
复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。
按其结构特点又分为：①纤维复合材料。
②夹层复合材料。
③细粒复合材料。
将④混杂复合材料。
60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。
这种复合材料称为先进复合材料。
按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。
其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。
先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料、机敏复合材料、仿生复合材料、隐身复合材料等。
二、金属基复合材料简介在此主要对金属基复合材料进行介绍与研讨。
(1)定义：金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。
它是一类以金属或合金为基体, 以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物, 其共同点是具有连续的金属基体。
(2)分类：按增强体类型分为：1.颗粒增强复合材料；2.层状复合材料；3.纤维增强复合材料按基体类型分为：1.铝基复合材料；2.镍基复合材料；3.钛基复合材料；4.镁基复合材料按用途分为：1.结构复合材料；2.功能复合材料（3）性能特征：金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。
课程论文题目：金属基复合材料的研究现状与进展学生姓名学号指导教师余历军院系化工学院专业化工过程机械年级2012级摘要新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。
其中复合材料，特别是金属基复合材料在新材料技术领域中占有重要的地位。
金属基复合材料对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用，因此倍受人们重视。
本文概述了金属基复合材料的发展历史及研究现状,对金属基复合材料的分类、性能、应用、制备方法、等进行了综述，提出了金属基复合材料研究中存在的问题，探讨了金属基复合材料的发展。
关键词：金属基复合材料；发展现状；应用;前景ABSTRACTTheresearch，developmentandapplicationofnewmaterialshasbeenoneoftheimportantconten tofcontemporaryhigh-tech.Andthecompositematerials,especiallymetalmatr ixcompositesinthefieldofnewmaterialstechnologyoccupieanimportantposit ion。
Metalmatrixcompositeshasplayedavitalroletopromotethecountriesallovert heworldinthefieldofmilitaryandcivilianhigh-techmodernization，soitishighlyappreciated.Inthisarticle,thedevelopmenthistoryandresearchstatusofmetalmatrixcom posites，theclassificationandpropertiesofmetalmatrixcomposites，application,preparationmethodsaresummarized。
金属基复合材料的发展现状及展望摘要：介绍了金属基复合材料的研究及应用现状。
就算了金属基复合出来的分类性能特点，并总结了其主要应用。
对于大批量生产的复合材料来讲，轧制方法复合具有比其它方法有更多的适用性和经济性，最后对金属基复合材料(MMC)的发展作出展望。
关键词：金属基复合材料；发展现状；应用；前景前言现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征[1]。
近年来，金属基复合材料的研究、开发、应用方面己经取得了非凡的发展。
但是国内外关于MMCs的研究都是集中在有色金属基体复合材料的研究，其主要的应用对象为航空航天工业和特殊场合，这类复合材料虽然具有密度低、刚性好等特殊性能，但是一方面它的生产成本高，另一方面它不适用于高温、高速、高载、高磨损的恶劣工作情况，而这样的工作条件下使用的陶瓷基或金属间化合物基复合材料造价昂贵、成本过高，而对以钢铁为基体，以矿山、电力、建材、农机等一般工业为应用目标的复合材料研究比较少。
目前，我国在有色金属基复合材料方面的研究己经接近国际水平，但是在工业生产及应用上存在着巨大的差距，而在黑色金属基复合材料方面的研究和应用都尚处在初步探索阶段，有必要加大对黑色金属基复合材料方面的研究，使金属基复合材料的应用扩大到工业及民用领域，以实现金属基复合材料科学技术的全面发展。
金属基复合材料的分类按基体的类型，金属基复合材料可分为：铝基、镍基、钛基、镁基、铁基等；按增强体的类型，金属基复合材料可分为两大类：长纤维和非长纤维增强的金属基复合材料。
金属基复合材料的现状与发展趋势金属基复合材料是指将金属作为基体材料，与其他非金属材料（如陶瓷、复合材料纤维等）进行复合制备的材料。
目前，金属基复合材料在诸多领域中得到了广泛的应用，包括航空航天、汽车、电子、建筑等。
金属基复合材料的现状主要体现在以下几个方面：1. 材料种类丰富：金属基复合材料的种类非常多样，包括金属基陶瓷复合材料、金属基纤维复合材料、金属基聚合物复合材料等。
不同种类的金属基复合材料具有不同的特性和应用领域。
2. 性能优良：金属基复合材料具有金属和非金属材料的优势，综合性能较好。
例如，金属基纤维复合材料具有较高的强度和刚度，金属基陶瓷复合材料具有较高的耐磨性和耐高温性能。
3. 制备技术成熟：金属基复合材料的制备技术已经较为成熟，包括热压、热等静压、粉末冶金、特殊金属/陶瓷涂覆等多种制备方法。
这些方法能够制备出具有均匀组织结构和良好性能的金属基复合材料。
未来，金属基复合材料的发展趋势主要包括以下几点：1. 变革材料设计：研究人员将继续探索金属基复合材料的设计、制备和性能调控方法，以实现更好的性能和应用。
例如，通过优化复合材料的界面结构和增加金属间化合物相的形成，进一步提高复合材料的力学性能和耐磨性能。
2. 发展新型金属基复合材料：随着科学技术的不断进步，新型金属基复合材料将不断涌现。
例如，碳纳米管增强金属基复合材料、石墨烯增强金属基复合材料等具有很高研究和应用价值。
3. 应用拓展：金属基复合材料在航空航天、汽车、电子等领域的应用将进一步拓展。
例如，开发具有轻质、高强度和高温耐受性能的复合材料，可用于制造飞机、汽车零件、电子器件等。
金属基复合材料具有广阔的应用前景，并且随着技术的发展和研究的深入，其性能和应用将得到进一步提高和扩展。
金属基纳米复合材料的研究现状与发展前景摘要：本文综述了金属基纳米复合材料的制备方法和金属基纳米复合材料的特性，分析了金属基纳米复合材料的微观结构，介绍了国内外相关研究现状及应用的最新进展。
文中指出了金属基纳米复合材料现阶段研究中存在的几个重要问题，展望了金属基纳米复合材料的未来发展趋势。
关键词：纳米材料；金属基纳米复合材料；机械合金化；微观结构；塑性流动；断裂行为；碳纳米管1.发展历史1.1概述纳米材料是由纳米量级（1-100nm）的纳米粒子组成的固体材料。
纳米微粒有4个基本效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。
因此，纳米材料表现出一些特殊性能，如高热膨胀系数、高比热容、低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性能等。
纳米微粒尺寸很小，纳米粒子的表面原子数与其总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，所以纳米材料有高密度缺陷、高的过剩能、大的比表面积和界面过剩体积。
纳米材料也因此具有许多特殊的性能，如高的弹性模量、较强的韧性、高强度、超强的耐磨性、自润滑性和超塑性等。
[]3-1。
由于纳米材料的特异性能，纳米材料有着广泛的应用金属基纳米复合材料用颗粒、晶须、纤维增强金属基体，具有原组分不具有的特殊性能或功能，为设计和制备高性能的功能材料提供了新的机遇[]4。
所以，金属基纳米复合材料已成为纳米材料工程的重要分支，世界上各发达国家已经把纳米复合材料的研究放在重要地位。
1.2分类纳米复合材料按基体材料类型可以分为金属基纳米复合材料、陶瓷基纳米复合材料、聚合物基纳米复合材料。
金属基复合材料兼具金属与非金属的综合性能，在韧性、耐磨性、热膨胀、导电性等多种机械物理性能方面比同性材料优异得多。
金属基纳米复合材料是由纳米级的金属或非金属粒子均匀地弥散在金属及合金基体中而成，较之传统的金属基复合材料，其比强度、比模量、耐磨性、导电、导热性能等均有大幅度的提高。
因此，金属基纳米复合材料在航空航天、汽车，电子等高科技领域有极大的应用前景。
金属基复合材料蠕变性能的研究现状和展望3田 君1,2,李文芳1,韩立发2,彭继华1(1华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640;2东莞理工学院机械工程学院,东莞523808)摘要 综述了国内外金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究进展。
重点分析了蠕变理论研究中的3种理论模型的特点,指出理论研究的核心问题是位错越过第二相的机制以及门槛应力的来源。
详述了目前蠕变实验研究的各种实验方法与特点。
讨论了利用计算机有限元分析来进行蠕变研究的优点。
针对目前我国金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究方法提出了一些看法和展望。
关键词 金属基复合材料 位错 门槛应力 蠕变R esearch and Development Creep of Metal Matrix CompositesTIAN J un 1,2,L I Wenfang 1,HAN Lifa 2,PEN G Jihua 1(1 College of Materials Science and Engineering ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640;2 Collegeof Mechanical Engineering ,Dongguan University of Technology ,Dongguan 523808)Abstract Research development on high temperature creep of metal matrix composites at home and abroad are summarized.The three theoretical models of the creep theory studies are focused on analyzing ,and the core issue of theoretical studies is a mechanism of the dislocation over the second phase and the threshold stress sources.Characte 2ristics of various experimental methods of the current creep experimental studies are recounted.Advantages of the computer finite element analysis in creep studies are discussed.The research trends and development on high tempera 2ture creep of metal matrix composites in China are presented.K ey w ords metal matrix composites ,dislocation ,threshold stress ,creep 3东莞市高等院校科技计划项目(2008108101028);广东省金属新材料成型制备重点实验室开放基金资助项目(2008001) 田君:1968年生,副教授,博士研究生 E 2mail :841608534@ 李文芳:通讯作者,1964年生,教授,博导 E 2mail :mewfli @ 在能源、石油化工和航空航天等工业装置中,很多构件需在高温下工作。
如火力发电的蒸汽温度可达到570℃,飞机涡轮叶片的工作温度高达1000℃以上,制氢转化和乙烯裂解温度分别达到950℃和1050℃。
对这类装置材料最重要的性能要求是高温强度[1],然而常规材料无法满足高温强度性能,只有新型的高温结构材料才能胜任,如金属间化合物、陶瓷、聚合物、复合材料等。
在这些高温结构材料中,只有金属基复合材料(MMC )才具有比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点,在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景,被誉为“21世纪绿色工程材料”[2]。
MMC 的高温强度性能是指材料对高温变形与断裂的抗力。
它们长期在高温并受一定载荷的环境下工作,会发生缓慢的塑性变形,也就是我们常说的蠕变。
研究其蠕变性能是设计MMC 材料高温环境工作的关键。
MMC 的蠕变性能与下列因素相关:基体的蠕变性能,增强体的弹性和断裂特性,增强体的尺寸参数、分布以及增强体与基体界面性能等[3-6]。
也就是需要了解MMC 材料的宏观性能与其细观结构和组成之间的关系,因此需要建立这两者关系模型。
从这一实际出发,近年来,国内外学者对MMC 的宏观性能与细观结构性能进行了大量研究,并取得了相当丰富的研究成果。
从蠕变研究方法上讲,按其发展过程大体可分为3类:第一类是理论研究,建立理论模型;第二类是蠕变试验研究;第三类是结合试验数据建立有限元计算模型,进行计算机模拟。
1 理论研究MMC 蠕变一般有以下共同特征:(1)蠕变速度比相同条件下没有强化的基体合金小得多,第二相强化显著地提高蠕变抗力,且第二相体积分数、尺寸、在基体中的分布以及结合界面等都会影响强化作用。
(2)蠕变速率与应力关系仍可用 ε∝σn表示,而应力指数n 一般为7～8,甚至达到10～40。
(3)蠕变激活能远大于基体的自扩散激活能。
(4)存在门槛应力,外加应力低于门槛应力时MMC 不发生蠕变。
门槛应力值一般是Orowan 应力的1/2左右。
至今还没有一种蠕变理论对上述所有的蠕变特征给出满意的解释。
迄今研究的核心问题是位错越过第二相的机制以及门槛应力的来源。
由于MMC 强化有粒子强化、晶须强化及纤维强化,为便于说明,不妨以粒子强化为例,围绕核心问题所展开的粒子强化的MMC 理论研究模型有以下几种。
(1)位错通过Orowan 机制绕过粒子模型位错通过Orowan 机制绕过粒子,绕过粒子所需应力称为Orowan 应力,其最简化的表达式[7]为: τ0=Gb λ(1)式中:G 为基体的剪切模量,b 为位错柏氏矢量,λ为粒子间距。
当外加应力高于Orowan 应力时,位错通过Orowan 机制绕过粒子,蠕变速率遵循 ε=A (τ-τ0)n的幂律方程,Orowan 应力即为门槛应力。
(2)位错通过攀移越过粒子模型当外加应力低于Orowan 应力时,位错不能绕过粒子,但实际上MMC 仍发生蠕变,这说明高温下位错可以按Oro 2wan 机制以外的其它机制越过粒子,这个机制就是位错通过攀移越过粒子。
关于位错攀移越过粒子,已提出了2种模型,即局部攀移[8]和总体攀移[9]。
局部攀移就是靠近粒子的位错段攀移越过粒子,而其余位错段仍在原滑移面上滑移。
位错攀移的阻力源于位错线长度的增加。
根据这一模型,如果位错运动过程中外加应力所做的功小于位错线长度增加引起的线能量增加,攀移就不能继续进行,蠕变也就停止,这就是门槛应力的来源。
这一模型的理论研究导出的门槛应力τth =0.4τ0。
局部攀移与实际材料蠕变中观察到的值基本接近,但是,局部攀移模型中的位错在粒子表面处有尖锐弯曲,这显然不是合理的假设,因为位错线在张力的作用下总是要自身拉直。
考虑到这一点,提出了较为合理的总体攀移模型。
总体攀移就是粒子处位错攀移带动滑移面的位错一起攀移,此时位错线长度的增加与局部攀移相比小得多,因此攀移阻力也小得多。
对这一模型的理论分析导出的蠕变门槛应力要比实验值小得多(τth ≈0.1τ0)。
根据局部攀移模型与总体攀移模型建立的蠕变理论多数不能导出与实验结果一致的蠕变本构方程,特别是蠕变门槛应力值与实验结果多数也不能相符。
(3)位错切割粒子模型在适当的条件下基体位错可以穿过粒子滑移,也就是位错切割粒子。
位错切割粒子的过程是非热激活的,蠕变门槛应力值实际上等于第二相粒子引起的临界切应力增量,也就是位错切割粒子所需的切应力为蠕变门槛应力。
在处理位错与第二相粒子的交互作用时,将粒子分成2种类型,即点状障碍和漫散障碍。
当第二相粒子的尺寸很小、粒子间距很大时,可将第二相粒子看成点状障碍。
点状障碍模型假定,在位错与粒子直接接触时才发生交互作用。
应力场是漫散的,因此位错与第二相粒子应力场的交互作用也有一定的范围,处理这类问题时可把粒子看成有一定尺寸和交互作用能的漫散障碍。
一般来说,一种粒子既有点状障碍特性也有漫散障碍特性。
Fleischer [10]根据此模型计算出了位错切割粒子所需的切应力:τ=(F m 2T )3/2(2Tlb)(2) F m =2T cos (φc2)(3)式中:F m 为位错线所受的力,T 为位错的线张力,b 为位错柏氏矢量,l 为滑移面上粒子的平均间距,φc 为位错脱离钉扎时的脱钉角。
根据此式求得的蠕变门槛应力值与实验结果比较接近。
由于MMC 种类繁多,性质各异,不可能用统一的本构方程来表示其蠕变规律,但是一般存在下列本构关系: εm ∝A (σ-σ0)nexp (-Q/R T )(4)式中: εm 为稳态蠕变速率,A 为材料常数,σ0为蠕变门槛应力,Q 为蠕变变形表观激活能,R 为气体常数。
2 蠕变试验研究蠕变理论模型是建立在一定的假设条件上的,各种模型有一定的合理性,也有一定的缺陷性,或多或少能说明某些类的MMC 的蠕变行为,在早期的蠕变研究中起到了重要作用,即使现在对蠕变试验也有很大的指导作用。
现在蠕变试验装置越来越先进,试验水平也越来越高,所得出的试验结果更能说明MMC 的蠕变本质。
但是蠕变试验的最大缺点就是试验时间比较长、试验成本比较高。
现在利用得较多的蠕变试验方法与特点大致如下。
2.1 三点弯曲法蠕变试验利用动态热分析仪器进行三点弯曲法测定复合材料在一定载荷水平和温度水平下试样的弯曲变形量,将弯曲变形量换算成形变量进行蠕变曲线测定。
南昌大学的胡强[11]利用如图1所示三点弯曲法测定SiC p /AZ61镁基复合材料的蠕变性能。
图1 三点弯曲法模式[11]Fig.1 Three 2point bending mode [11]图2为复合材料与基体的蠕变速率随时间变化的曲线(200℃、40MPa )[11]。
从图2中可以发现,在相同条件下,SiC p /AZ61镁基复合材料相对于AZ61基体合金来说具有较短的初始蠕变阶段、较低的稳态蠕变速率和较少总形变量,AZ61基体合金的抗蠕变性能在加入增强相SiC 颗粒后得到提高。
随着复合材料中SiC p 体积分数的增加,复合材料的抗蠕变性能提高明显。
SiC p /AZ61镁基复合材料相对于基体合金抗蠕变性能提高的主要原因是SiC 颗粒作为强钉扎点钉扎晶界,阻碍高温情况下界面的滑移和位错的攀移。
