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复合材料制备与加工2课件.ppt
二、非防护机制 非防护机制是指这样一类机制: 由于强化相的存在,迫使裂纹需要不断改变扩展方向,或使裂纹产生“弯曲”(类似于颗粒对位错的钉扎作用),使得其扩展需要消耗附加能量(即提高了材料的韧性)。 二、非防护机制 1. 裂纹偏转 由于强化相的存在,使得裂纹在材料中呈锯齿状扩展。裂纹扩展方向的偏转以及由于偏转所引起的裂纹表面积的增加均导致能量消耗的增加,使裂纹扩展困难,材料的韧性提高。 2. 弯曲机制 强化相对于裂纹的扩展起阻碍作用,使裂纹的先端路径产生弯曲,扩展所需能量消耗增加,材料的韧性提高。 三、韧性与强度的关系 金属是一种富有延性与韧性的材料,通常,随着强化相含量的增加,复合材料的延性与韧性降低,即强度与弹性模量的提高往往是以牺牲延性与韧性为代价的。 陶瓷材料本身多为脆性材料,其塑性变形能力几乎为零(某些特殊条件下的超塑性现象除外),韧性很差。如果利用以上所述的各种韧化机制,在陶瓷材料中加入适当的强化相(包括种类的正确选择和加入量的适量化),则可以在提高陶瓷复合材料的强度的同时,提高其韧性,使强化与韧化同时实现。 2.2.6 耐磨性 颗粒弥散强化复合材料所具有的优异性能之一是其高耐磨性。通常只要在铝合金中加入少量(0.5~5 vol%)的强化颗粒, 即可大幅度地提高其耐磨性。 2.2.6 耐磨性 这一特性非常有用, 因为少量的强化颗粒添加量意味着对基体材料的延性、断裂韧性的影响较小, 对复合材料的后续加工性的损害不大。而为了得到较高的弹性系数或强度一般需要加入百分之十至百分之几十的强化颗粒, 使得材料的延性、断裂韧性下降许多。 大多数的研究结果表明, 强化颗粒的大小对复合材料耐磨性的影响很小。但将复合材料用作为滑动部件时, 强化颗粒尺寸小的复合材料给予配合件(滑动配合的另一方)的磨损要小一些。 2.2.7 物理性能 一、 密度 一般来说, 复合材料的密度可以用简单复合准则进行较精确的预测,即 ?c=?mVm+?rVr 二、线膨胀系数 颗粒强化复合材料的线膨胀系数通常与简单复合准则不太相符,这是因为当强化颗粒的线膨胀系数通常与基体材料的线膨胀系数不相等时,复合材料受热时将在颗粒的周围产生弹性应力场,使得其热膨胀行为变得较为复杂。 Turner将强化颗粒视为球形,假设温度上升时颗粒周边将产生一个球应力场,从而导出复合材料的线膨胀系数理论式为: 式中,K为体积弹性模量。 Kerner在上述假设的基础上,再考虑颗粒与基体之间的剪切应力的作用,导出颗粒强化复合材料的线膨胀系数理论式为: 其中 式中,G为剪切弹性模量,或称刚性模量,G=E/2(1+?)。 三、热传导率 颗粒强化复合材料的热传导率可以用简单复合准则式获得较好的预测值。当强化颗粒的含量较低时,采用如下的Rayleigh-Maxwell理论式可以得到更为精确的预测值。 四、电磁性能 电磁性能与导热性能一样,也是材料的固有性能,一般可用与上式具有相同结构的模型来进行设计或预报。 一般来说, 为了提高颗粒弥散强化复合材料的强度和弹性系数, 降低其线膨胀系数, 需要提高强化颗粒的含量。然而, 强化颗粒含量的增加往往导致复合材料可加工性的大幅度降低 2.2.8 可加工性与加工工艺 例如, 延性与韧性的下降、硬度的增加将使材料的切削性能下降, 挤压时模子的磨损增大, 可锻造性劣化。对于工业化大规模生产来说, 这是一个影响产品尺寸精度与生产成本的严重问题。 如何解决这一类材料的成形与加工问题,是关系到复合材料实用化的十分重要的课题。 2.2.8 可加工性与加工工艺 以往的材料制备一般是根据金属学的原理,采用尝试的方法制备出各种不同性能的材料(也因此而被贬称为炒菜的方法),然后根据用途要求来选择材料,甚至只能根据材料的性能来设计部件的形状、尺寸和使用条件。材料的可加工性往往被放在次要的地位。 未来材料科学技术发展的最终目标应该是:按照使用要求来设计材料的功能,并在性能设计的同时设计出切实可行的、经济的制备与加工方法。 复合材料制备与加工 第二章 复合材料的界面与设计 2.1 复合材料的界面 基体和增强相之间化学成分有显著变化、构成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界面。 在许多情况下,界面是具有层次的,即沿界面的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组织和性能不同于基体和强化相的区域,而不只是一个简单的接触面。 界面在复合材料中所占
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