《局部复合金属基复合材料的高温强度_复合部分与基体部分.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《局部复合金属基复合材料的高温强度_复合部分与基体部分.pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/国外科技局部复合金属基复合材料的高温强度、复合部分与基体部分边界强度的实验研究前言目前,就复合材料的复合形态而言,可分为整体复合和仅仅是特定部分的局部复合两种。用铝、镁及其合金等作为基体的金属基复合材料具有优良的高温机械性能及化学稳定性。随着各方面的研究工作的不断深入,在 整体零件采用复合材料的同时,零件特定部分的复合也正在向实用化扩展。例如用氧化铝粒子将活塞耐磨环部分复合的研究在日本已有文献报道。在此类部分复合的应用研
2、究 中,在研究复合材料本身的同时,掌握复合部分和基体部分之间的边界的机械、物理性能也是至关重要的。例如材料边界部分机械、物理性能变化的不连续性,边界两侧线膨胀系数不 同引起的内应力、不均匀变形等对零件整体功能的影响,都是必须弄清的问题。最近,日本青柳成俊先生等发表了研究论文,对用加压溶浸法制造 的碳化硅 晶须铝合金复合材料 中的复合部分与基体部分的高温强度分别进行了研究,与此 同时,对复合部分与基体部分之间的边界强度以及 不 同热处理规 范对基体部分,复合部分,边界部分强度的影响也提供了试验数据及结论性意见。实验方法介绍实验用复合材料的制备金属基复合材料的基体金属为铸造铝合金,增强纤维为碳化硅
3、晶须。复合材料用如下方法制造。首先,为得到质地均 匀的晶须塑坯,用苯磺酸钠的水溶宇航材料工艺年第期液其质量分数为作为界面的活性剂,在其水溶液中投入可容受量的晶须,用超声波搅拌以促使其分散并强化搅拌作用。其后,在的温度下干燥,通过过滤网之后,用手动压力机制成具有表观体积率、中的成型 塑坯,进而将此坯料在的妞度下焙烧,最终制成预制坯。另外,将铝合金用电炉加热至使其熔化,采用氢气发泡方式施行脱气处理后,作好浇铸的准备工作。尔后,将前述制成的预制坯装入加压熔铸机的型腔内,将铝合金熔液浇入后,依传统的熔铸加压操作方法实施复合。预制坯和熔铸加压机在加压熔浸之前均以的温度预热。复合操作时的熔液 温度和 金属
4、模型腔温度分别为和。其加压熔铸条件为 熔液 喷射速度,喷射压力,保压时间。实验方法复合部分与基体部分的高温强度,依高温下三点弯曲试验结果来判定。试件尺寸宽,高,长,支 点间距离 为。三点弯曲试验使用的是非热处理状态的 试 验 材 料,到达 试 验温度后,保温,再进行测试。边界强度,根据四点弯曲试验结果来判定。为便于比较,同时也测定 了基体及复合部分的局部的四点弯曲强度。四点弯曲强度实验的目的在于研究热处理对边界强度的影响,因此,除对非热处理状态的试件进行一一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rig
5、hts reserved.http:/实 验 外,还测 定 了在、下保温后空冷试件的四点弯曲强度。为了研究冷却速度对边界强度的影响,对上述各温度保温后水冷的试件,测定四点弯 曲强度。四点 弯 曲试件的工作位置如图所示。四点弯曲试件的尺寸和三点弯曲试件的尺寸相 同,下部跨距长,上部跨距长,边界位置应该配置在中央。这正是用于接合体弯曲试验通常采用的方法,其方法已纳入日本工业标准一。散处理过的坯料,若使用未经活性剂分散处理 的塑坯,由于浇铸熔液浸透时的压力,塑坯将被破坏。因此,塑坯内部质地均匀性对其强度有直接的影响。含有未经活性剂分散处理的晶须塑坯,受到 加压之类的外力 时,塑坯及其周 围的边界极易
6、破坏。复合部分和基体部分的硬度测定位置和测定结果如图所示。复合部分一方向签体仁长爹巴副鲜一、尺一方 向迅口咖舜游复合部分人术边界图四点弯曲试验试件受力位置及尺寸示意图弯曲试验均使用万能实验机,工作头速度为。使用扫 瞄电子显微镜对弯 曲试验后试件的断裂面进行观察。用维氏试验机进行硬 度试验,所加载荷。复合部分 中的元素分析使用备有波长分散型射线检测器 的 电子探针在具有铜阴极,加速 电压为的条件下进行。实验结果及分析复合部分的组织和硬度显微观察表明,基体部分的组织 由初晶和共晶组织构成而复合部分是非初 晶和共晶的微细组织,晶须则是均匀一致的分散组织,在复合部分中呈三维随机分布状态。此处使用的试验
7、材料是用界面活性剂进行分一一毓臀织百森朗火八一仁产一、份片价介半径方 向位移才,口,侧脚已瑞图显微硬度测定结果测量方位高度方向硬度。半径方 向硬度。宇航材料工艺年第期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/试验结果表明,与熔液流入塑坯的部分相比,熔液出口部分较硬、而腔壁周 围不硬,这是由于熔液浸透 时的压力致使晶须变密的缘故。在应用高压铸造法制造复合材料时也 曾有过类似情况以及相 同见解的文献报道。硬度测定的结果显示出复合部分中的位置点不 同,晶须的体积率也不
8、 同。根据阿基米德法求得的弯曲试件 中的晶须平均体积率约为。复合部分和墓体部分的高温三点弯曲强度复合部分和基体部分高温三点 弯曲强度试验结果如图所示。基体部分的弯曲强度在从室温到的温度范围 内约保持,在附近强度下降,时,由于基体的软化,试验用夹具陷入试件,弯曲强度已不能测定。复合部分的弯曲强度在从室温到达的温度区域 内为,与基体部分相比较,在该段温度区域内约为基体部 分强度 的倍。即 使 当温度达到时,复合部分强度仍可维持在以上。用前述方法制造的复合部分,当温度超过之后,其强度仍无 明显下降。郭注复卜一升一诬、侧票粗带艇川试件畸变骊试验温度图复合材料和基体高温下的强度变化复合部分中的元紊分析结
9、果复合部分和基体部分的边界附近的光宇航材料工艺年第期学显微观察和电子探针分析结果表明,距边界几百微米的复合部分一侧的组织中,白色结晶点呈带状分布。对、元素面上分析 的结果,象其他报告所确认的那样,并非边界附近或元素的偏析。如果根据能量色散谱分析,见到的白色的结晶物是一一一系结晶物,那是在熔液浸入塑坯的过程中析出的。残存于复合部分中的界面活性剂以及其是否和 晶须产生化学反应这要用射线衍射来进行研 究。依据衍射图像的峰值,可以判定此种化学反应是没有的。根据试件制备的方法得 知,熔液温度为,塑坯的预热温度为,因而基体和晶须的接触瞬间就完成了复合而凝固,即使是非热处理状态,在复合部分 中也容易形成可能
10、产生破坏的缺陷,但是产生粗大晶粒的可能性是极小的。边界强度和热处理的影响图 所示为用四点弯曲强度试验对复合部分、基体部分和边界强度进行测试时的载荷一位移曲线。曲线。与曲线类同,几乎没有产生塑性变形就达到破坏。这种倾向间接显示出,边界部分四点弯曲试验的破坏不是在基体部分发生的,而是在复合部分和基体部分的边界上发生的。即使对经热处理的试件,试验所得的上述三条曲线也是相类似的。热处理后,空冷试件的四点弯曲试验结果示 于图。直至热处理温度达到,试件的边界强度大约 为,此 数值约为复合部分强度的一半,与基体部分强度相比约低。当热处理温度一超过,试件的边界强度和基体部分强度,随着温度 的增加而缓慢地降低与
11、此相反,复合部分强度却 不 随热处理温度变化而变 化,约稳 定在的数值。从具有代表性的非热处理状态的边界强度测定之后的断面和破坏的试件的外观来看,十分明显,破坏沿边界部一一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/分进行,在复合部分一侧和基体部分一侧的断面 中,晶须从基体脱落的状态很清楚。由于破坏沿边界部分进行,所以边界附近的结晶物几乎对边界强度没有影响。对脱落的晶须表面放大观察,可看到基体的附着物,就这部分而言,晶须和基体的界面强度优于基体部分强度,但是,总体
12、情况是在晶须和基体之间的界面上破坏,因此可以认为边界强度比基体部分强度低的原因是由于 晶须与基体之间界面结合强度较低造成的。在热处理后的冷却方法方面,空气冷却和在冰水中冷却时,其边界强度的比较如图所示。图中显示 出了急冷 试件的复合部分和基体部分硬度的变化,直到,空冷的试件比在冰水 中急冷 的试件的边界强度值高。进而在标准化的固溶处理 温度保温后,急冷试件的边界强度大体上与非热处理状态下的边界强度相同。观察在此温度下急冷试件的基体部分组织时发现,共晶硅已转变为粒状硅。其次,硬度测定的结果,非热旋合部分。空气冷却刁二冷 却侧尽巴八们引臼,八,刀乡芝、侧嘿韧灰目,。阿巨一体一力一荃了一代担拼位移图
13、四点弯曲试验的典型载荷一位移 曲线室温,未热处理复合部分基体部分边界部分。七,温度一丁一一三一一卜一州、一、复合部分图热处理温度、冷却速度对弯曲强度和维氏硬度的影响杯丫攀乒这件冰了吧价骂叫璐甲减、侧嗽韧城宜气长八叼一门一一门 了茹“一竺兰。芝、侧燃枷城团落 盖度时效时问图热处理温度对复合部分、基体部分和边界部分强度的影响图弯曲强度随热处理条件的变化固溶处理,水淬,并在下时效。一一宇航材料工艺年第期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/处理状态试件的复合部分维
14、氏硬度为左右,基体部分维氏硬度为左右。基体部分在从到的范围内软化。但是,在时,其硬度为维氏硬度,大体上与非热处理状态时相 当。与此相 反,复合部分的硬度在任何热处理温度下都不会有明显的降低,而在时还会稍稍超过非热处理状态时的硬度。综上所述,边界强度即使在固溶温度下保温后急冷也不会降低,这显示出对试件的固溶处理 成为可能。另外,将铝合金的标准 化 固溶处理程序在保温后 急冷施 于试件后 测定其边界强度,由于基体的强化与边界的强化相关联,对固溶处理后进行人工时效保温处理 的试件的边界强度进行测定,其结果示于图。固溶处理后的边界强度平均为,与非热 处理状态相比较略有下降时效处理后试件的边界强度平均约
15、为,有较为显著的提高。也就是说,如果采取与基体相同的热处理程序,则其边界强度有可能提高。结论用加压熔浸法制备的碳化硅晶须增强铝合金复合材料,用三点弯曲试验测定其高温强度。其结果是试验温度直到时,复合部分的弯曲强度为,用 同样方法在相同温度下得出基体部分的弯 曲强度为,复合部分强度是基体部分强度的倍,即使达到的试验温度,复合部分强度仍保持在以上。复合部分和基体部分之间的边界强度用四点弯曲强度试验结果来判定其试验结果表明,边界强度比基体部分强度低,其原因是碳化硅晶须与基体之 间界面结合强度较低造成的。但是,边界强度可通过和对基体同样的热处理程序而得到提高。其次、边界部分附近存在的结晶物对边界强度没有影响。根据上述情况可见,在局部复合化的材料中考虑边界强度是十分必要的。厂周梦熊编译自轻金 属日,宇航 材料工 艺编 辑部年工作动向为了适应工作需要,不断提高办刊水平,年本刊编辑部进行的主要工作有对年一年所刊文章的情况 被转载、收录、获奖和效益等进行调查组建本刊第五届编委会并召开编委会议于年底到年初,实现刊物向国外发行加强编辑部基本建设,改善办刊条件和办刊手段加强通讯员网的工作,召开座谈会。在上述工作中,希望得到有关领导、编委、通讯员、作者和读者的全力支持和合作。本刊编辑部宇航材料工艺年第期