金属基复合材料的凝固.ppt

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**第三节自生复合材料的凝固自生复合材料是相对人工复合材料而言的,是一种自生的多相材料。它的第二相(强化相)是在相变过程中析出的细纤维、细片或颗粒。通常用共晶合金进行定向凝固,并合理控制工艺参数(主要是温度梯度和凝固速度),使凝固过程成为平面生长过程就可获得这种材料。也可用亚共晶或过共晶成分的合金获得假共晶组织的复合材料。第64页,共95页,星期六,2024年,5月**一、共晶自生复合材料(一)对共晶系的要求共晶合金制成的自生复合材料,其强度大大提高,更重要的是它具有优越的高温性能及抗疲劳性能,这是通常凝固条件下的共晶合金所不能比拟的。并不是所有的共晶系都能满足自生复合材料的要求。作为工程结构用复合材料,必须有高强度、高弹性相作为主要承载相,而基体应有良好的韧性以保证载荷的传递。第65页,共95页,星期六,2024年,5月**共晶系应具备以下要求共晶系中一相应为高强相。自合金中析出的高强相大都是金属间化合物,它在常温和高温下都有高的强度。基体应具有较高的断裂韧性,以固溶体为宜。在单向凝固时能获得定向排列的规则组织,即棒状或片状组织,这是共晶相本身特点和凝固条件所决定的。非小平面—非小平面(金属—金属)共晶凝固时容易获得规则组织,而非小平面—小平面(金属—非金属)共晶欲获得规则的组织,凝固过程的控制更严格。第66页,共95页,星期六,2024年,5月**(二)共晶自生复合材料相界的匹配共晶合金组织根据凝固条件可分为规则共晶组织和非规则共晶组织。共晶自生复合材料为规则组织。要获得规则组织,首先必须选择合金系。选择合金系时要特别考虑界面的性质。界面的性质决定了一些共晶合金根本不能成为复合材料。其次要正确控制凝固过程。第67页,共95页,星期六,2024年,5月**规则共晶组织中的强化相可以呈纤维状或层片状分布。但它们的共同特点是,两个固相之间的界面张力σ??远小于它们与液相之间的界面张力σ?L和σ?L。第68页,共95页,星期六,2024年,5月**第一,这种关系有助于平界面生长的稳定。σ??远小于σ?L和σ?L,??和??必然很大。两固相前沿曲率半径较大,弯曲液面引起的过冷度较小,这是平界面稳定生长的有利条件之一。第二,小的界面张力是自生复合材料具有高的稳定性的条件,低能界面由合适的原子互相匹配和两相之间原子密度几乎相等的择优取向的晶面组成。说明两个问题第69页,共95页,星期六,2024年,5月**强化相的形状自生共晶复合材料中的强化相可为纤维状和片状。从力学性能考虑,一般以纤维状显微组织为好。但从热稳定性考虑,以片状显微组织为好。因片状界面多半是界面能最小的择优界面,而纤维状界面是多向的,其平均界面能较高。第70页,共95页,星期六,2024年,5月**自生复合材料优异性能的起因单向凝固自生复合材料所具有的特殊性能与基体相和强化相两相界面的匹配关系很大。相界处匹配越好,表明两相晶格常数越相近,这样的自生复合材料有高的界面稳定性,且两相结合紧密,因而具有高的力学性能,特别是具有高的高温稳定性和高温抗蠕变性能。某些自生复合材料在接近熔点温度下,相界仍处于稳定状态,成为不可多得的高温工程材料。单向凝固自生复合材料优越的性能与缓慢单向凝固所获得的相间化学平衡有关。第71页,共95页,星期六,2024年,5月**(三)共晶自生复合材料凝固过程的控制共晶成分合金在普通凝固条件下凝固,其共晶中的α、?相以不同的形态出现,各个相任意取向,形成不均匀聚集体,完全不具有复合材料的组织特征和性能,只有采用单向凝固技术才能获得复合材料。生成共晶自生复合材料的基本条件是固—液界面呈平界面。为了维持平界面的生长方式,必须严格控制凝固工艺参数:固液界面前沿的温度梯度GL和固—液界面推进的速度v,以及合金中的杂质含量和外界的扰动等。第72页,共95页,星期六,2024年,5月**二元共晶合金固—液界面为平界面的判据与单相合金成分过冷判据不同。设共晶成分为CE的合金,最大固溶量分别为C?m和C?m,以胞状晶生长时平界面稳定生长的判据为:式中,P为与?相体积分数有关的常数。这是非小平面—非小平面共晶自生复合材料在单向凝固时,界面为稳定平界面的判据。非小平面—小平面共晶自生复合材料单向凝固界面为稳定平界面的判据尚未充分研究。三元共晶合金固—液界面为平界面的判据更为复杂。第73页,共95页,星期六,2024年,5月**由平界面稳定生长的判据可知,当固-液界面前沿液相中的温度梯度一定时,降低凝固速度υ可使平界面稳定,但当υ过小时会粗化组织,且影响生产率。为此,使平界面稳定的主要工艺

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