第五章金属材料

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第五章金属基复合材料成型技术

第五章金属基复合材料成型技术
• 5.1概述 • 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的制造相对其他基复合材料还是比较复杂和困难。这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和工艺，但仍存在一系列问题。所以开发有效的制造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的课题之一。
PVD法纤维/基体复合丝原理图
5.3.5共喷沉积技术
• 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法，1969年由A．R．E．siager发明，随后由Ospmy金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料。 • 共喷沉积工艺过程，包括基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度，惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度，沉积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个： ①熔融金属的温度 ②模具预热温度 ③使用的最大压力 ④加压速度在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于 50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1~3cm/s。对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700~800℃，预制件和模具预热温度一般可控制在 500~800℃，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。

材料力学性能第五章_金属的疲劳

“彗星号”客机悲剧是世界航空史上首次发生的因金属疲劳而导致飞机失事的事件，从此，在飞机设计中将结构疲劳极限正式列入强度规范加以要求。
飞机舷窗
高速列车
5.1.3 疲劳宏观断口特征
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要方法。疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应
疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的预测就显得十分重要和必要。
对缺口、裂纹及组织等缺陷十分敏感，即对缺陷具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等)，将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与发展。
18
应力σmax/10MPa
40
20
灰铸铁
0 103 104
105
106
107
循环周次/次
108
109
41
图几种材料的疲劳曲线
疲劳极限
有水平段（碳钢、合金结构钢、球铁等）经过无限次应力循环也不发生疲劳断裂，将对应
的应力称为疲劳极限，记为σ-1（对称循环）
无水平段（铝合金、不锈钢、高强度钢等）只是随应力降低，循环周次不断增大。此时，根据材料的使用要求规定某一循环周次下不发生断裂的应力作为条件疲劳极限。例：高强度钢、铝合金和不锈钢：N＝108周次钛合金：N＝107周次
大小：瞬断区大小与机件承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材科，瞬断区大；反之。瞬断区则小。

第5章金属材料及热处理概论

金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。通常所指金属材料的性能包括以下两个方面：（1）使用性能。使用性能是为了保证零件、工程构件或工具等的正常工作，材料所应具备的性能。包括物理性能(如熔点、导热性、热膨胀性等)、化学性能(如耐腐蚀性、抗氧化性等)、力学性能等。金属材料的使用性能决定了其应用范围、安全可靠性和使用寿命等。
第5章金属材料及热处理概论（3）热膨胀性。金属在温度升高时体积膨胀的现象称为热膨胀性，用线膨胀系数α表示，其单位是1／℃或1／K，即温度每升高1℃，其单位长度的膨胀量。α值越大，金属的尺寸或体积随温度变化而变化的程度就越大。
第5章金属材料及热处理概论
2.金属材料的化学性能
金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温条件下
全性，因此必须同时考虑金属材料的冲击韧度。目前，工程上一般用金属夏比冲击试验来测定金属材料的冲击韧度值αk。金属夏比冲击试验是先将被测的金属材料制成一定形状
和尺寸的试样(图5－1(a)为u形缺口冲击试样)，将其安放在冲
击试验机上，把具有一定重量G的摆锤提到h1高度后，使摆锤自由下落(见图5－1(b))。
第5章金属材料及热处理概论 3）塑性塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致
破裂的能力。
许多零件或毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有
较高的塑性，并且为防止零件工作时脆断，也要求材料有一
定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一，常用的塑性指标有断后伸长率δ 和断面收缩率ψ 。关于塑性
第5章金属材料及热处理概论（2）收缩性。收缩性是指铸件在冷却凝固时，体积和线性尺寸收缩的程度。收缩不利于金属铸造，它将使铸件产生
缩孔、缩松、变形等缺陷。