關(guān)于金屬基復(fù)合材料的凝固第1頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/62材料分類：金屬、無機非金屬、有機高分子材料

各有千秋揚長避短

克服單一材料的缺點

產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能復(fù)合材料第2頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/63發(fā)展過程：古代－近代－先進復(fù)合材料天然復(fù)合材料：－貝殼、樹木和竹子：纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體－動物骨骼：無機磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原的復(fù)合體人類使用、效仿的材料：半坡人－－草梗合泥筑墻，且延用至今漆器－－麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年敦煌壁畫－－泥胎、宮殿建筑里圓木表面的披麻覆漆

第一節(jié)概論第3頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/64牛糞+黃泥—復(fù)合材料：糧囤內(nèi)層，防漏，防蟲，強化第4頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/65近代：復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀40年代。第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件。50年代得到了迅速發(fā)展。我國：從1958年開始發(fā)展復(fù)合材料第5頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/66首先在航空航天技術(shù)和軍事上應(yīng)用。如導彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中。同時，復(fù)合材料也成為發(fā)展高技術(shù)的關(guān)鍵材料。另外，還廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、化工、紡織、精密儀器、造船、建筑、電子、橋梁、醫(yī)療、體育運動器材等領(lǐng)域。第6頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/67例：波音757的機翼和機身復(fù)合材料整流包皮、直升飛機中能量吸收結(jié)構(gòu)部件等。

F117隱形飛機－－全復(fù)合材料體育器材――魚竿等，金牌有科學家的一半各國在發(fā)展高技術(shù)計劃中對先進復(fù)合材料都給予優(yōu)先考慮。為增強我國綜合國力，我國已把先進復(fù)合材料作為發(fā)展高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵新材料，被列為國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃綱要重要內(nèi)容。

第7頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/68復(fù)合材料的分類按增強材料形態(tài)分類1、纖維增強復(fù)合材料：a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點都位于復(fù)合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；2、顆粒增強復(fù)合材料：微小顆粒均勻分散在基體中；3、板狀增強體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強材料與基體復(fù)合而成。其他增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體

第8頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/69復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

a)層疊復(fù)合b)連續(xù)纖維復(fù)合c)細粒復(fù)合d)短切纖維復(fù)合第9頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/610第10頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/611目前狀況玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料：非常成熟，廣泛應(yīng)用；

金屬基復(fù)合材料：開發(fā)階段，某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位；陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等：尚處于研究階段，有不少科學技術(shù)問題有待解決。第11頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/612常用的金屬基復(fù)合材料制備工藝第二節(jié)金屬基人工復(fù)合材料的凝固第12頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/6131、短纖維增強金屬基復(fù)合材料的凝固采用擠壓浸滲法制備。復(fù)合材料的加壓浸滲可分四個步驟：金屬液所受壓力逐漸升高并開始浸滲預(yù)制塊；金屬液在預(yù)制塊中流動；金屬液在高壓下進一步填充預(yù)制塊微小孔隙；滲入預(yù)制塊中的金屬液在壓力下凝固形成復(fù)合材料。第13頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/614第14頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/615（1）臨界浸滲壓：臨界浸滲壓指金屬液開始浸滲預(yù)制塊時所需的壓力。對預(yù)制塊來說,短纖維呈三維隨機取向分布。空隙呈不規(guī)則形狀,其等價毛細管半徑為：第15頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/616臨界浸滲壓為：外加壓力（抵消大氣壓力）只有高于Pc,金屬液才能滲入預(yù)制塊。當其他參數(shù)一定時,隨Vf增大，臨界浸滲壓增大。第16頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/617（2）金屬液在預(yù)制塊中流動當金屬液開始向預(yù)制塊中流動后，隨浸滲距離的增加,所受阻力也增大。第17頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/618浸滲壓為：第18頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/619（3）纖維間微小縫隙的進一步填充浸滲過程中,金屬液總是優(yōu)先填充預(yù)制塊內(nèi)較大的孔隙。而纖維接觸或接近處的微小縫隙,因曲率半徑小,填充難度大,需待整個預(yù)制塊的大孔隙都充滿,浸滲壓進一步提高,方可實現(xiàn)進一步填充。兩纖維平行接觸，所需壓力：第19頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/620兩接觸纖維軸線間有夾角，金屬液滲入該夾角所需壓力為:第20頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/621（4）復(fù)合材料的凝固模式基體組織細化：壓力下凝固，組織細化；纖維的存在，異質(zhì)生核；纖維的存在，約束生長。第21頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/622ZA22合金常壓鑄態(tài)組織ZA22合金高壓鑄態(tài)組織ZA22/Al2O3復(fù)合材料組織第22頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/623第23頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/6242、顆粒增強金屬基復(fù)合材料的凝固攪拌鑄造法第24頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/625陶瓷顆粒在基體中是否均勻分布取決于顆粒與凝固界面的相互作用大多數(shù)復(fù)合材料中顆粒分布不均勻第25頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/626金屬基復(fù)合材料中陶瓷顆粒與凝固界面的相互作用第26頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/627陶瓷顆粒被凝固界面排斥第27頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/628陶瓷顆粒仍然被凝固界面所排斥第28頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/629陶瓷顆粒被凝固界面捕捉第29頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/630（1）若固液界面與顆粒的接觸角小于90，顆粒將被生長的界面捕捉。反之，將被排斥。（2）純Al/Al2O3復(fù)合材料，添加界面活性元素Ce、Sr及Ca之后，固液界面與Al2O3的接觸角仍大于90，Al2O3顆粒被排斥。（3）共晶Al-Si/Al2O3復(fù)合材料，Sr變質(zhì)時，接觸角仍大于90，Al2O3顆粒仍被排斥。（4）共晶Al-Si/Al2O3復(fù)合材料，（Sr+Ca)多元復(fù)合變質(zhì)時，接觸角小于90，顆粒被捕捉，在固相中均勻分布。（5）由于多元變質(zhì)，促進了Al-Si合金的先行相Si相在Al2O3表面生核長大，使顆粒被捕捉。第30頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/6313、鑄滲表面復(fù)合材料鑄造表面復(fù)合材料是鑄造金屬基復(fù)合材料的一個重要組成部分。它把高硬度、高熔點、高彈性模量、耐磨、耐蝕的陶瓷顆?；蚶w維復(fù)合在不同性能的金屬表面，既可使整個構(gòu)件具有滿足工況要求的強韌性，又可使構(gòu)件表面一定厚度范圍內(nèi)具有高的耐磨、耐蝕性,并能延長使用壽命。重力鑄造法，也稱鑄滲法，是鑄造表面復(fù)合材料的主要制作方法之一。鑄滲法主要有涂刷法和膏劑法。這兩種方法均需要加入有機或無機粘結(jié)劑和熔劑。第31頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/632金屬液浸滲顆粒層動力學分析1、顆粒層等效毛細半徑顆粒層可看成多孔體，其孔隙錯綜復(fù)雜，四通八達。要研究金屬液浸滲顆粒層的過程,必須對顆粒層進行簡化。設(shè)顆粒層內(nèi)有若干垂直于鑄型底面的毛細管道，其等效半徑為R，顆粒占顆粒層的體積分數(shù)為Vf。則：可見,顆粒層等效毛細半徑與顆粒體積分數(shù)有關(guān)。體積分數(shù)越大，等效毛細半徑越小。第32頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/6332、浸滲過程動力學浸滲深度：式中，為金屬液密度，g為重力加速度，H為初始液面高，la為金屬液表面張力，為金屬液潤濕角，R為等效半徑，為動力粘度。第33頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/634假設(shè)金屬為中錳鋼。中錳鋼存在一結(jié)晶溫度區(qū)間,這樣上式中金屬液的流動時間t可分為兩個階段,即金屬液從澆注溫度T澆冷卻到液相線溫度TL的時間t1和金屬液從TL冷卻到固相連成網(wǎng)絡(luò)、金屬液停止流動溫度T停的時間t2。將上式中的對數(shù)項按級數(shù)展開，并略去高次項，可得金屬液浸滲時間為：第34頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/635金屬液浸滲深度為：可見，影響浸滲深度h的因素很多，主要有兩方面:（1）顆粒粒徑及傳熱特性。隨著顆粒粒徑增大，h值相應(yīng)增大；顆粒的換熱系數(shù)越大，越不利于金屬液的浸滲；顆粒溫度越高，越有利金屬液的浸滲。第35頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/636（2）金屬液特性。金屬液的壓頭高度H值越高，h越大；金屬液如能潤濕顆粒,則毛細力為浸滲的動力,利于h值增大；金屬液粘度越大，越不利于浸滲；金屬液的澆注溫度T澆越高，其粘度越低，利于浸滲，但T澆過高，則溫差(T澆-T粒)增大,易使碳化鎢顆粒溶解，從而降低材料性能；金屬液密度、比熱容c及結(jié)晶潛熱L值越高，浸滲深度h越深。第36頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/6374、離心鑄造表面復(fù)合材料離心鑄造是制備金屬基復(fù)合材料的一種重要方法?？梢苑譃殡x心偏聚法和離心滲鑄法。離心偏聚法的工藝過程是，將增強相加入金屬液中，依靠增強相與金屬液之間的密度差，在離心力作用下，使增強相偏聚于管件的外表層或內(nèi)表層。離心滲鑄法是先在鑄型內(nèi)形成增強相的預(yù)成型，然后澆注金屬液，在離心力作用下，使金屬液滲入預(yù)成型的間隙中，凝固后得到外表層為增強相增強的表面復(fù)合材料。

第37頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/638（1）離心偏聚法1976年，B.P.Krisnan等首次將石墨粒子采用攪拌法加入鋁合金液，然后將混合金屬液澆入垂直離心鑄造機的水玻璃砂型中，獲得了內(nèi)表層富集石墨粒子、外表層不含石墨粒子的復(fù)合材料管件。

第38頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/639影響顆粒分布的因素澆注溫度；顆粒尺寸；合金成分；鑄型的冷卻條件；顆粒金屬密度差。第39頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/640（2）離心滲鑄法杉下潤二等將石墨和碳粒子加入鑄型兼坩堝的容器中，金屬液熔化之后，用離心滲鑄的方法獲得了石墨和碳粒于分布于鋁合金和巴氏合金中的表面復(fù)合材料。增強材料：石墨、碳粒子、氮化硅、氧化鋁、碳化硅、球墨鑄鐵纖維、Al2O3纖維等。不必考慮密度差的影響。第40頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/641影響復(fù)合層厚度的因素：金屬液澆注溫度；離心力大小；粒子預(yù)熱溫度；鑄型預(yù)熱溫度。第41頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/642功能梯度材料是指兩種或多種材料復(fù)合成組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料；它要求功能、性能隨內(nèi)部位置的變化而變化，實現(xiàn)功能梯度的材料。

自然界有許多梯度材料的例子，如竹子、貝殼、骨骼等。（3）離心鑄造梯度復(fù)合材料第42頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/643越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年冬出土時依舊寒光逼人，鋒利無比。1977年12月，復(fù)旦大學與中科院等對劍進行了無損檢測。主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。劍的各個部位銅和錫的比例不一。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。形成了良好的成分梯度。第43頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/644功能梯度材料的概念最早是由日本科學家平井敏雄于1984年首先提出的，目的是要解決航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的苛刻條件下使用的材料問題。如航天飛機推進系統(tǒng)中超音速燃燒沖壓式發(fā)動機,其燃燒室壁一側(cè)接觸高達2000℃的燃燒氣體，承受超高溫，而另一側(cè)則接觸-200℃的液氫燃料，承受超低溫。從而產(chǎn)生極大熱應(yīng)力。一般材料顯然滿足不了這一要求。第44頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/645金屬-陶瓷構(gòu)成的功能梯度材料可有效解決上述極大熱應(yīng)力問題。高溫側(cè)用耐熱性好的陶瓷材料，低溫側(cè)用導熱和強度好的金屬材料。耐熱性熱傳導率熱膨脹系數(shù)均勻材料有界面的復(fù)合材料FGM陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷金屬金屬第45頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/646材料從陶瓷到金屬，其耐熱性逐漸降低，強度緩慢升高。熱應(yīng)力在材料兩端很小，在材料中部達到峰值，因而有效地緩和了熱應(yīng)力。耐超熱性能力學性能

熱應(yīng)力緩和作用陶瓷金屬第46頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/647金屬/陶瓷功能梯度材料Sn

Al2O3

掃描電鏡觀察維氏硬度壓痕第47頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/648功能梯度材料的元素分布及電鏡組織鉬-銅FGM電子探針分析MoCuMo/Cu

FGM材料MoCu第48頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/6491987年，日本科學技術(shù)廳提出了一項“關(guān)于開發(fā)緩和熱應(yīng)力的梯度功能材料的基礎(chǔ)技術(shù)研究計劃”。功能梯度材料的出現(xiàn)引起了世界其他國家材料工作者的極大興趣。雖然FGM的最初目的是解決航天飛機的熱保護問題，但隨著FGM的研究和開發(fā)，其應(yīng)用已從宇航工業(yè)擴大到核能源、電子、光學、化學、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域,

其組成也由金屬-陶瓷發(fā)展為金屬-合金、非金屬-非金屬、高分子膜-高分子膜等多種組合，種類繁多，應(yīng)用前景廣闊。

第49頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/650梯度功能材料的制備方法原料體系方法類別方法氣相化學法化學氣相沉積法物理法物理氣相沉積濺射法離子注入法液相化學法電鍍法氧化還原法物理法熔射法熔體凝固法固相法化學法自蔓延法（熱分解法）涂層法物理法燒結(jié)法部分結(jié)晶法擴散法第50頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/651灰鑄鐵與球墨鑄鐵的梯度復(fù)合材料第51頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/652離心鑄造梯度功能復(fù)合材料離心鑄造制備梯度復(fù)合材料最初是日本學者福井泰好于1990年提出的。他通過離心鑄造Al2O3/石膏系的模擬實驗發(fā)現(xiàn)，在離心力作用下，Al2O3質(zhì)點數(shù)量沿管壁厚度方向呈梯度分布?；谏鲜瞿M實驗，他指出離心鑄造陶瓷顆粒與金屬液的混合物，能夠獲得陶瓷顆粒在金屬基體中梯度分布的復(fù)合材料。此后，他研究了離心鑄造SiCP/Al梯度復(fù)合材料的制備技術(shù)。第52頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/653離心加速條件下金屬液中粒子的相互作用（1）離心加速條件下粒子運動模型的建立及求解以立式離心裝置為研究對象，在該離心力場中，假設(shè)粒子密度大于液體密度(即ρp>ρL)，則粒子在垂直方向上受重力Fg

和浮力Ff

。在水平方向上的受力:一是離心力F1，一是粒子向外側(cè)移動時受到的阻力F2

，再是在離心力場中水平方向產(chǎn)生的與離心力方向相反的“浮力”F3。第53頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/654由于在離心力場中重力系數(shù)較大，即粒子所受離心力相對于自身重力較大，加上垂直方向上重力與浮力的相互抵消作用，垂直方向粒子的受力對其運動規(guī)律的影響很小，故在垂直方向粒子的受力可忽略不記。第54頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/655在水平方向粒子所受離心力及其在離心力場中所受的“浮力”分別為：式中mp

和mL

分別為粒子及粒子排開液體的質(zhì)量。由于金屬液存在粘度，運動的第二相質(zhì)點不可避免地受到移動阻力。假設(shè)質(zhì)點為細小的球形粒子，可近似采用層流狀態(tài)下的阻力公式：在鑄型預(yù)熱較好，金屬液冷速較慢的情況下，可以假定液體的粘度η不受溫度及時間影響，為常數(shù)。第55頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/656根據(jù)牛頓第二定律,粒子在水平方向上所受合力F為：式(9)就是離心力場中粒子所處位置與運動時間的函數(shù)關(guān)系。第56頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/657對式(9)進一步求導,可得粒子在任一時刻的速度及加速度:第57頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/658（2）離心加速條件下金屬液中第二相粒子相互作用分析①

粒子直徑的影響隨粒子直徑增大,粒子移動距離急劇增大。第58頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/659②

粒子密度的影響在相同條件下密度較大的粒子其運動距離也較大。第59頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/660③

粒子初始位置的影響徑向上初始位置不同的兩個粒子,其間距也不是一常量,而是隨著時間的延長,其間距逐漸增大。設(shè)在徑向一條直線上有兩個粒子,根據(jù)式(9),任意時刻兩個粒子的間距為：第60頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/661④

離心力場中粒子的相互作用在采用離心技術(shù)制備外加粒子強化梯度材料時,初始狀態(tài)粒子在金屬液中是均勻分布的,各粒子的初始位置不同。如果粒子為同種粒子,即密度相同,則直徑大的粒子運動速度快,在一定時間內(nèi)有可能趕上其前面的小粒子(見圖7)。這樣會導致兩種結(jié)果,一是大粒子與小粒子發(fā)生碰撞并帶著小粒子一起向前運動,最終引起粒子的聚集;一是大小粒子發(fā)生碰撞后,由于兩粒子的重心不在徑向一條直線上或由于系統(tǒng)振動等原因,使小粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn),讓出路徑,以便大粒子通過,最終大粒子分布到試樣的最外側(cè)。第61頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/662第62頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/663如果粒子為密度不同的混雜粒子,但直徑相同,則處于后面的密度大的粒子也可以趕上前面密度小的粒子,產(chǎn)生與不同直徑粒子間相互作用相同的效果。如果離心力場中金屬液內(nèi)粒子的直徑和密度都不同,情況更加復(fù)雜。在傳輸過程中,既有因尺寸不同引起的追逐現(xiàn)象,又有因密度不同引起的追逐現(xiàn)象。因此,粒子間的碰撞是頻繁的。為減少粒子運動過程中的追逐、碰撞及由此引起的粒子聚集和不穩(wěn)定流動現(xiàn)象,采用尺寸一致的同種粒子是非常必要的。第63頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/664第三節(jié)自生復(fù)合材料的凝固自生復(fù)合材料是相對人工復(fù)合材料而言的，是一種自生的多相材料。它的第二相（強化相）是在相變過程中析出的細纖維、細片或顆粒。通常用共晶合金進行定向凝固，并合理控制工藝參數(shù)（主要是溫度梯度和凝固速度），使凝固過程成為平面生長過程就可獲得這種材料。也可用亞共晶或過共晶成分的合金獲得假共晶組織的復(fù)合材料。第64頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/665一、共晶自生復(fù)合材料（一）對共晶系的要求共晶合金制成的自生復(fù)合材料，其強度大大提高，更重要的是它具有優(yōu)越的高溫性能及抗疲勞性能，這是通常凝固條件下的共晶合金所不能比擬的。并不是所有的共晶系都能滿足自生復(fù)合材料的要求。作為工程結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料，必須有高強度、高彈性相作為主要承載相，而基體應(yīng)有良好的韌性以保證載荷的傳遞。

第65頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/666共晶系應(yīng)具備以下要求共晶系中一相應(yīng)為高強相。自合金中析出的高強相大都是金屬間化合物，它在常溫和高溫下都有高的強度。基體應(yīng)具有較高的斷裂韌性，以固溶體為宜。在單向凝固時能獲得定向排列的規(guī)則組織，即棒狀或片狀組織，這是共晶相本身特點和凝固條件所決定的。非小平面—非小平面（金屬—金屬）共晶凝固時容易獲得規(guī)則組織，而非小平面—小平面（金屬—非金屬）共晶欲獲得規(guī)則的組織，凝固過程的控制更嚴格。

第66頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/667（二）共晶自生復(fù)合材料相界的匹配共晶合金組織根據(jù)凝固條件可分為規(guī)則共晶組織和非規(guī)則共晶組織。共晶自生復(fù)合材料為規(guī)則組織。要獲得規(guī)則組織，首先必須選擇合金系。選擇合金系時要特別考慮界面的性質(zhì)。界面的性質(zhì)決定了一些共晶合金根本不能成為復(fù)合材料。其次要正確控制凝固過程。第67頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/668規(guī)則共晶組織中的強化相可以呈纖維狀或?qū)悠瑺罘植肌５鼈兊墓餐攸c是，兩個固相之間的界面張力σ遠小于它們與液相之間的界面張力σL和σL。第68頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/669第一，這種關(guān)系有助于平界面生長的穩(wěn)定。σ遠小于σL和σL，和必然很大。兩固相前沿曲率半徑較大，彎曲液面引起的過冷度較小，這是平界面穩(wěn)定生長的有利條件之一。

第二，小的界面張力是自生復(fù)合材料具有高的穩(wěn)定性的條件，低能界面由合適的原子互相匹配和兩相之間原子密度幾乎相等的擇優(yōu)取向的晶面組成。說明兩個問題第69頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/670強化相的形狀自生共晶復(fù)合材料中的強化相可為纖維狀和片狀。從力學性能考慮，一般以纖維狀顯微組織為好。但從熱穩(wěn)定性考慮，以片狀顯微組織為好。因片狀界面多半是界面能最小的擇優(yōu)界面，而纖維狀界面是多向的，其平均界面能較高。第70頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/671自生復(fù)合材料優(yōu)異性能的起因單向凝固自生復(fù)合材料所具有的特殊性能與基體相和強化相兩相界面的匹配關(guān)系很大。相界處匹配越好，表明兩相晶格常數(shù)越相近，這樣的自生復(fù)合材料有高的界面穩(wěn)定性，且兩相結(jié)合緊密，因而具有高的力學性能，特別是具有高的高溫穩(wěn)定性和高溫抗蠕變性能。某些自生復(fù)合材料在接近熔點溫度下，相界仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，成為不可多得的高溫工程材料。單向凝固自生復(fù)合材料優(yōu)越的性能與緩慢單向凝固所獲得的相間化學平衡有關(guān)。

第71頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/672（三）共晶自生復(fù)合材料凝固過程的控制共晶成分合金在普通凝固條件下凝固，其共晶中的α、相以不同的形態(tài)出現(xiàn)，各個相任意取向，形成不均勻聚集體，完全不具有復(fù)合材料的組織特征和性能，只有采用單向凝固技術(shù)才能獲得復(fù)合材料。生成共晶自生復(fù)合材料的基本條件是固—液界面呈平界面。為了維持平界面的生長方式，必須嚴格控制凝固工藝參數(shù)：固液界面前沿的溫度梯度GL和固—液界面推進的速度v，以及合金中的雜質(zhì)含量和外界的擾動等。第72頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/673二元共晶合金固—液界面為平界面的判據(jù)與單相合金成分過冷判據(jù)不同。設(shè)共晶成分為CE的合金，最大固溶量分別為Cm和Cm，以胞狀晶生長時平界面穩(wěn)定生長的判據(jù)為：式中，P為與相體積分數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

這是非小平面—非小平面共晶自生復(fù)合材料在單向凝固時，界面為穩(wěn)定平界面的判據(jù)。非小平面—小平面共晶自生復(fù)合材料單向凝固界面為穩(wěn)定平界面的判據(jù)尚未充分研究。三元共晶合金固—液界面為平界面的判據(jù)更為復(fù)雜。第73頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/674由平界面穩(wěn)定生長的判據(jù)可知，當固-液界面前沿液相中的溫度梯度一定時，降低凝固速度υ可使平界面穩(wěn)定，但當υ過小時會粗化組織，且影響生產(chǎn)率。為此，使平界面穩(wěn)定的主要工藝措施是盡量提高溫度梯度GL，這樣不僅可以滿足要求提高主長速度的愿望，而且還能顯著地提高復(fù)合材料的性能，達到質(zhì)優(yōu)價廉的目的。第74頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/675二、非共晶自生復(fù)合材料共晶自生復(fù)合材料要求化學組成為共晶成分，這有很大的局限性。如果偏離共晶成分的合金也能獲得類似于共晶系的復(fù)合材料，將會大大擴大共晶復(fù)合材料的使用范圍。在單向凝固的條件下，偏離共晶成分的合金也可以獲得相含量不同的復(fù)合材料。

第75頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/676圖7-4是成分為Co的亞共晶二元合金。其生成復(fù)合材料的過程是這樣的：凝固開始后，液相溫度稍低于To時析出初生單相，其成分為koCo。隨著凝固的推進，固—液界面上固相和液相成分沿固、液相線變化。當液相線的成分變化達到共晶成分CE時，與之相平衡的固相相的成分為Cm，這是第一階段。第76頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/677當固—液界面達到共晶溫度TE，液相成分為CE時，

、兩相同時析出，相的量不斷增加，直至兩相達到平衡比例為止，這是第二階段。第一階段和第二階段中固、液相成分都在不斷變化，因此稱為“過渡階段”。第77頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/678在第二階段結(jié)束時，固相的平均成分由Cm逐漸增加到合金原始成分Co，液相的成分也是Co；這時，凝固過程進入了“穩(wěn)定生長階段”，即第三階段。第78頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/679這時，固相成分始終保持Co，固液界面前沿的液相成分保持共晶成分CE，界面前沿的液相內(nèi)溶質(zhì)的濃度梯度保持不變，結(jié)晶出來的、兩相比例是平衡圖上Co成分時

、相之比例，保持不變，形成了單向凝固的“偽共晶”組織。其穩(wěn)定態(tài)生長是以不出現(xiàn)成分過冷為前提的。因此，仍保持有一定的GL/v值。

第79頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/680Al-Al3Ni棒狀共晶自生復(fù)合材料（上——縱截面，下——橫截面）Pb-Sn層片狀共晶自生復(fù)合材料第80頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/681LaB6-ZrB2共晶自生復(fù)合材料的掃描電鏡組織(a)縱向；(b)橫向第81頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/682第82頁，講稿共95頁，2023年5月2日，星期三2023/7/683近年來，離心鑄造自生復(fù)合材料技術(shù)得以誕生和發(fā)展?；驹恚簩⒛踢^程中的析出初生相作為增強相，利用初生相與金屬液之間的密度差，在一定的凝固條件和離心力場作用下，使初生相外沉或內(nèi)浮，得到自生表面復(fù)合材料或自生梯度復(fù)合材料。三、離心鑄造自生復(fù)合材料第83頁，講稿共9