第7章 金屬基復(fù)合材料的凝固

1、2021-11-211/95第七章第七章 金屬基復(fù)合材金屬基復(fù)合材料的凝固料的凝固2021-11-212/952021-11-213/952021-11-214/95牛糞牛糞+黃泥黃泥復(fù)合材料：糧囤內(nèi)層，防復(fù)合材料：糧囤內(nèi)層，防漏，防蟲，強(qiáng)化漏，防蟲，強(qiáng)化2021-11-215/952021-11-216/952021-11-217/952021-11-218/952021-11-219/952021-11-2110/952021-11-2111/952021-11-2112/95第二節(jié)第二節(jié) 金屬基人工復(fù)合材料的凝固金屬基人工復(fù)合材料的凝固2021-11-2113/95n采用擠壓浸滲法制備。

2、采用擠壓浸滲法制備。n復(fù)合材料的加壓浸滲可分四復(fù)合材料的加壓浸滲可分四個(gè)步驟：個(gè)步驟： 金屬液所受壓力逐漸升高并金屬液所受壓力逐漸升高并開始浸滲預(yù)制塊；開始浸滲預(yù)制塊； 金屬液在預(yù)制塊中流動(dòng)；金屬液在預(yù)制塊中流動(dòng)； 金屬液在高壓下進(jìn)一步填充金屬液在高壓下進(jìn)一步填充預(yù)制塊微小孔隙；預(yù)制塊微小孔隙； 滲入預(yù)制塊中的金屬液在壓滲入預(yù)制塊中的金屬液在壓力下凝固形成復(fù)合材料。力下凝固形成復(fù)合材料。2021-11-2114/952021-11-2115/952021-11-2116/952021-11-2117/952021-11-2118/952021-11-2119/95n（3）纖維間微小縫隙的進(jìn)一步

3、填充）纖維間微小縫隙的進(jìn)一步填充n浸滲過程中浸滲過程中, 金屬液總是優(yōu)先填充預(yù)制塊內(nèi)較大的金屬液總是優(yōu)先填充預(yù)制塊內(nèi)較大的孔隙?？紫?。n而纖維接觸或接近處的微小縫隙而纖維接觸或接近處的微小縫隙, 因曲率半徑小因曲率半徑小, 填充難度大填充難度大, 需待整個(gè)預(yù)制塊的大孔隙都充滿需待整個(gè)預(yù)制塊的大孔隙都充滿, 浸浸滲壓進(jìn)一步提高滲壓進(jìn)一步提高, 方可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步填充。方可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步填充。兩纖維平行接觸，所需壓力：兩纖維平行接觸，所需壓力：2021-11-2120/95金屬液滲入該夾角所金屬液滲入該夾角所需壓力為需壓力為:2021-11-2121/952021-11-2122/95ZA22合金常壓鑄態(tài)

4、組合金常壓鑄態(tài)組織織ZA22合金高壓鑄態(tài)組合金高壓鑄態(tài)組織織ZA22/Al2O3復(fù)合材料組織復(fù)合材料組織2021-11-2123/952021-11-2124/952、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的凝固、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的凝固n攪拌鑄造法攪拌鑄造法2021-11-2125/95陶瓷顆粒在基體中是陶瓷顆粒在基體中是否均勻分布取決于顆否均勻分布取決于顆粒與凝固界面的相互粒與凝固界面的相互作用作用大多數(shù)復(fù)合材料中大多數(shù)復(fù)合材料中顆粒分布不均勻顆粒分布不均勻2021-11-2126/95金屬基復(fù)合材料中金屬基復(fù)合材料中陶瓷顆粒與凝固界陶瓷顆粒與凝固界面的相互作用面的相互作用2021-11-2127/9

5、5陶瓷顆粒陶瓷顆粒被凝固界被凝固界面排斥面排斥2021-11-2128/95陶瓷顆粒仍然被凝固陶瓷顆粒仍然被凝固界面所排斥界面所排斥2021-11-2129/95陶瓷顆粒被凝固界面捕捉陶瓷顆粒被凝固界面捕捉2021-11-2130/952021-11-2131/952021-11-2132/95金屬液浸滲顆粒層動(dòng)力學(xué)分析金屬液浸滲顆粒層動(dòng)力學(xué)分析n1、顆粒層等效毛細(xì)半徑、顆粒層等效毛細(xì)半徑n顆粒層可看成多孔體，其孔隙錯(cuò)綜復(fù)雜，四通八顆粒層可看成多孔體，其孔隙錯(cuò)綜復(fù)雜，四通八達(dá)。要研究金屬液浸滲顆粒層的過程達(dá)。要研究金屬液浸滲顆粒層的過程,必須對(duì)顆粒必須對(duì)顆粒層進(jìn)行簡(jiǎn)化。設(shè)顆粒層內(nèi)有若干垂直于鑄

6、型底面層進(jìn)行簡(jiǎn)化。設(shè)顆粒層內(nèi)有若干垂直于鑄型底面的毛細(xì)管道，其等效半徑為的毛細(xì)管道，其等效半徑為R，顆粒占顆粒層的，顆粒占顆粒層的體積分?jǐn)?shù)為體積分?jǐn)?shù)為Vf。則：。則：可見可見, 顆粒層等效毛細(xì)半徑與顆粒體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。顆粒層等效毛細(xì)半徑與顆粒體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。體積分?jǐn)?shù)越大，等效毛細(xì)半徑越小。體積分?jǐn)?shù)越大，等效毛細(xì)半徑越小。2021-11-2133/95n2、浸滲過程動(dòng)力學(xué)、浸滲過程動(dòng)力學(xué)式中，式中， 為金屬液密度，為金屬液密度， g 為重力加速度，為重力加速度，H為初始液面為初始液面高，高， la為金屬液表面張力，為金屬液表面張力， 為金屬液潤(rùn)濕角，為金屬液潤(rùn)濕角， R為等效為等效半徑，半徑， 為動(dòng)

7、力粘度。為動(dòng)力粘度。2021-11-2134/95n假設(shè)金屬為中錳鋼。中錳鋼存在一結(jié)晶溫度區(qū)間假設(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(dòng)時(shí)間這樣上式中金屬液的流動(dòng)時(shí)間t 可分為兩個(gè)階段可分為兩個(gè)階段, 即金屬液從澆注溫度即金屬液從澆注溫度T澆澆冷卻到液相線溫度冷卻到液相線溫度TL的時(shí)的時(shí)間間t1和金屬液從和金屬液從TL冷卻到固相連成網(wǎng)絡(luò)、金屬液冷卻到固相連成網(wǎng)絡(luò)、金屬液停止流動(dòng)溫度停止流動(dòng)溫度T停停的時(shí)間的時(shí)間t2。將上式中的對(duì)數(shù)項(xiàng)按級(jí)數(shù)展開，并略去高次項(xiàng)，將上式中的對(duì)數(shù)項(xiàng)按級(jí)數(shù)展開，并略去高次項(xiàng)，可得金屬液浸滲時(shí)間為：可得金屬液浸滲時(shí)間為：2021-11-2135/

8、95金屬液浸滲深度為：金屬液浸滲深度為：n可見，影響浸滲深度可見，影響浸滲深度h 的因素很多，主要有兩方的因素很多，主要有兩方面面: n（1）顆粒粒徑及傳熱特性。隨著顆粒粒徑增大，）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)值相應(yīng)增大；顆粒的換熱系數(shù) 越大，越不利于越大，越不利于金屬液的浸滲；顆粒溫度越高，金屬液的浸滲；顆粒溫度越高， 越有利金屬液的越有利金屬液的浸滲。浸滲。2021-11-2136/95n（2）金屬液特性。金屬液的壓頭高度）金屬液特性。金屬液的壓頭高度H 值值越高，越高， h 越大；金屬液如能潤(rùn)濕顆粒越大；金屬液如能潤(rùn)濕顆粒, 則毛則毛細(xì)力為浸滲的動(dòng)力

9、細(xì)力為浸滲的動(dòng)力, 利于利于h 值增大；金屬液值增大；金屬液粘度越大，粘度越大， 越不利于浸滲；越不利于浸滲； 金屬液的澆注金屬液的澆注溫度溫度T 澆澆越高，其粘度越低，利于浸滲，但越高，其粘度越低，利于浸滲，但T 澆澆過高，過高， 則溫差則溫差( T澆澆- T粒粒) 增大增大, 易使碳化易使碳化鎢顆粒溶解，從而降低材料性能；金屬液鎢顆粒溶解，從而降低材料性能；金屬液密度密度 、比熱容比熱容c及結(jié)晶潛熱及結(jié)晶潛熱L 值越高，浸值越高，浸滲深度滲深度h 越深。越深。2021-11-2137/952021-11-2138/952021-11-2139/952021-11-2140/952021-1

10、1-2141/952021-11-2142/952021-11-2143/95 越王勾踐劍深埋地下越王勾踐劍深埋地下24002400多年，多年，19651965年冬出年冬出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無比。土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無比。 19771977年年1212月，復(fù)旦大學(xué)與中科院等對(duì)劍進(jìn)行了月，復(fù)旦大學(xué)與中科院等對(duì)劍進(jìn)行了無損檢測(cè)。無損檢測(cè)。 主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。 劍的各個(gè)部位銅和錫的比例不一。劍脊含銅較劍的各個(gè)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，多，韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒

11、利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。形成了良好的成分梯度。蝕。形成了良好的成分梯度。2021-11-2144/95燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī), 其燃燒室壁一側(cè)接觸高達(dá)其燃燒室壁一側(cè)接觸高達(dá)2000的的燃燒氣體，承受超高溫，而另一側(cè)則接觸燃燒氣體，承受超高溫，而另一側(cè)則接觸-200的的液氫燃料，承受超低溫。從而產(chǎn)生極大熱應(yīng)力。液氫燃料，承受超低溫。從而產(chǎn)生極大熱應(yīng)力。一一般材料顯然滿足不了這一要求。般材料顯然滿足不了這一要求。2021-11-2145/95耐熱性耐熱性熱傳導(dǎo)率熱傳導(dǎo)率熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)均勻材料均勻材料有界面的復(fù)合材料有界面的復(fù)合材料FGM

12、陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷金屬金屬2021-11-2146/95耐耐 超超 熱熱 性性 能能力力 學(xué)學(xué) 性性 能能 熱應(yīng)力緩和作用熱應(yīng)力緩和作用陶瓷陶瓷金屬金屬2021-11-2147/95金屬金屬/陶瓷功能梯陶瓷功能梯度材料度材料Sn Al2O3 掃描電鏡觀察掃描電鏡觀察維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕2021-11-2148/95鉬鉬-銅銅FGM電子探針分析電子探針分析MoCuMo/Cu FGM材料材料MoCu2021-11-2149/952021-11-2150/952021-11-2151/95灰鑄鐵與球墨鑄鐵的梯度復(fù)合材料灰鑄鐵與球墨鑄鐵的梯度復(fù)合材料2021-11-2152/952021-11-21

13、53/95離心加速條件下金屬液中粒子的相離心加速條件下金屬液中粒子的相互作用互作用n（1）離心加速條件下粒子運(yùn)動(dòng)模型的建立及求解）離心加速條件下粒子運(yùn)動(dòng)模型的建立及求解n以立式離心裝置為研究對(duì)象，在該離心力場(chǎng)中，以立式離心裝置為研究對(duì)象，在該離心力場(chǎng)中，假設(shè)粒子密度大于液體密度假設(shè)粒子密度大于液體密度(即即p L) ，則粒子，則粒子在垂直方向上受重力在垂直方向上受重力Fg 和浮力和浮力Ff 。在水平方向上。在水平方向上的受力的受力: 一是離心力一是離心力F1，一是粒子向外側(cè)移動(dòng)時(shí)受，一是粒子向外側(cè)移動(dòng)時(shí)受到的阻力到的阻力F2 ，再是在離心力場(chǎng)中水平方向產(chǎn)生的，再是在離心力場(chǎng)中水平方向產(chǎn)生的與離

14、心力方向相反的與離心力方向相反的“浮力浮力”F3。2021-11-2154/95n由于在離心力場(chǎng)中重力系數(shù)較大，即粒子所受離由于在離心力場(chǎng)中重力系數(shù)較大，即粒子所受離心力相對(duì)于自身重力較大，加上垂直方向上重力心力相對(duì)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(duì)與浮力的相互抵消作用，垂直方向粒子的受力對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響很小，故在垂直方向粒子的受其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響很小，故在垂直方向粒子的受力可忽略不記。力可忽略不記。2021-11-2155/95n在水平方向粒子所受離心力及其在離心力場(chǎng)中所在水平方向粒子所受離心力及其在離心力場(chǎng)中所受的受的“浮力浮力”分別為：分別為：n

15、式中式中mp 和和mL 分別為粒子及粒子排開液體的質(zhì)量。分別為粒子及粒子排開液體的質(zhì)量。n由于金屬液存在粘度，運(yùn)動(dòng)的第二相質(zhì)點(diǎn)不可避由于金屬液存在粘度，運(yùn)動(dòng)的第二相質(zhì)點(diǎn)不可避免地受到移動(dòng)阻力。假設(shè)質(zhì)點(diǎn)為細(xì)小的球形粒子，免地受到移動(dòng)阻力。假設(shè)質(zhì)點(diǎn)為細(xì)小的球形粒子，可近似采用層流狀態(tài)下的阻力公式：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以假定液體的粘度不受溫度及時(shí)間影響，為常數(shù)。不受溫度及時(shí)間影響，為常數(shù)。2021-11-2156/95根據(jù)牛頓第二定律根據(jù)牛頓第二定律, 粒子在水平方向上所受合力粒子在水平方

16、向上所受合力F 為：為：式式(9) 就是離心力場(chǎng)中粒子所處位置與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的就是離心力場(chǎng)中粒子所處位置與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。函數(shù)關(guān)系。2021-11-2157/95對(duì)式對(duì)式(9) 進(jìn)一步求導(dǎo)進(jìn)一步求導(dǎo), 可得粒子在任一時(shí)刻的速度及可得粒子在任一時(shí)刻的速度及加速度加速度:2021-11-2158/95n（2）離心加速條件下金屬液中第二相粒子相互作）離心加速條件下金屬液中第二相粒子相互作用分析用分析n 粒子直徑的影響粒子直徑的影響n隨粒子直徑增大隨粒子直徑增大, 粒子移動(dòng)距離急劇增大。粒子移動(dòng)距離急劇增大。2021-11-2159/95n 粒子密度的影響粒子密度的影響n在相同條件下密度較大的粒子其運(yùn)

17、動(dòng)距離在相同條件下密度較大的粒子其運(yùn)動(dòng)距離也較大。也較大。2021-11-2160/95n 粒子初始位置的影響粒子初始位置的影響n徑向上初始位置不同的兩個(gè)粒子徑向上初始位置不同的兩個(gè)粒子, 其間距也不是一其間距也不是一常量常量, 而是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而是隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 其間距逐漸增大。其間距逐漸增大。n設(shè)在徑向一條直線上有兩個(gè)粒子設(shè)在徑向一條直線上有兩個(gè)粒子, 根據(jù)式根據(jù)式(9) ,任意任意時(shí)刻兩個(gè)粒子的間距為：時(shí)刻兩個(gè)粒子的間距為：2021-11-2161/95n 離心力場(chǎng)中粒子的相互作用離心力場(chǎng)中粒子的相互作用n在采用離心技術(shù)制備外加粒子強(qiáng)化梯度材料時(shí)在采用離心技術(shù)制備外加粒子強(qiáng)化梯度材料

18、時(shí), 初初始狀態(tài)粒子在金屬液中是均勻分布的始狀態(tài)粒子在金屬液中是均勻分布的, 各粒子的初各粒子的初始位置不同。始位置不同。n如果粒子為同種粒子如果粒子為同種粒子, 即密度相同即密度相同, 則直徑大的粒則直徑大的粒子運(yùn)動(dòng)速度快子運(yùn)動(dòng)速度快, 在一定時(shí)間內(nèi)有可能趕上其前面的在一定時(shí)間內(nèi)有可能趕上其前面的小粒子小粒子(見圖見圖7) 。n這樣會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果這樣會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果, 一是大粒子與小粒子發(fā)生碰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(yùn)動(dòng)撞并帶著小粒子一起向前運(yùn)動(dòng), 最終引起粒子的聚最終引起粒子的聚集集; 一是大小粒子發(fā)生碰撞后一是大小粒子發(fā)生碰撞后, 由于兩粒子的重心由于兩粒子的重心不在

19、徑向一條直線上或由于系統(tǒng)振動(dòng)等原因不在徑向一條直線上或由于系統(tǒng)振動(dòng)等原因, 使小使小粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn), 讓出路徑讓出路徑,以便大粒子通過以便大粒子通過,最終大最終大粒子分布到試樣的最外側(cè)。粒子分布到試樣的最外側(cè)。2021-11-2162/952021-11-2163/95n如果粒子為密度不同的混雜粒子如果粒子為密度不同的混雜粒子, 但直徑相同但直徑相同, 則則處于后面的密度大的粒子也可以趕上前面密度小處于后面的密度大的粒子也可以趕上前面密度小的粒子的粒子, 產(chǎn)生與不同直徑粒子間相互作用相同的效產(chǎn)生與不同直徑粒子間相互作用相同的效果。果。n如果離心力場(chǎng)中金屬液內(nèi)粒子的直徑和密度都不如果離

20、心力場(chǎng)中金屬液內(nèi)粒子的直徑和密度都不同同, 情況更加復(fù)雜。在傳輸過程中情況更加復(fù)雜。在傳輸過程中, 既有因尺寸不既有因尺寸不同引起的追逐現(xiàn)象同引起的追逐現(xiàn)象, 又有因密度不同引起的追逐現(xiàn)又有因密度不同引起的追逐現(xiàn)象。因此象。因此, 粒子間的碰撞是頻繁的。粒子間的碰撞是頻繁的。n為減少粒子運(yùn)動(dòng)過程中的追逐、碰撞及由此引起為減少粒子運(yùn)動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象的粒子聚集和不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象, 采用尺寸一致的同采用尺寸一致的同種粒子是非常必要的。種粒子是非常必要的。2021-11-2164/95第三節(jié)第三節(jié) 自生復(fù)合材料的凝固自生復(fù)合材料的凝固2021-11-2165/95

21、2021-11-2166/952021-11-2167/952021-11-2168/95coscosLL2021-11-2169/952021-11-2170/952021-11-2171/952021-11-2172/952021-11-2173/95LmmLLDCCPmvG)(22021-11-2174/95LmmLLDCCPmvG)(22021-11-2175/952021-11-2176/952021-11-2177/952021-11-2178/952021-11-2179/952021-11-2180/95Pb-Sn層片狀共晶自生復(fù)合材料層片狀共晶自生復(fù)合材料2021-11-2181/95LaB6-ZrB2共晶自生復(fù)合材料的掃描電鏡組織共晶自生復(fù)合材料的掃描電鏡組織(a) 縱向；縱向；(b) 橫向橫向 2021-11-2182/952021-11-2183/952021-11-2184/952021-11-2185/952021-11-