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金属基复合材料范文1
1在机械制造专业上应用复合结构材料
与传统材料相比金属复合材料具有明显的优势。由金属复合材料质量轻于传统的钢铁材料，其抗性也略胜一筹。另外，金属复合材料的性能也更适用于机械制造。现阶段金属复合材料相对而言使用性能更高，现今阶段常见的金属复合材料大体分为以下四种。
1.1不锈钢复合钢板
由合金元素组成的不锈钢板决定了不锈钢板的性能差异。这些元素促成了不锈钢板在金属材料中拥有最强的耐化学腐蚀和电化学腐蚀性，有利于保障不同材质材料的原子结合率达到百分之百。同时其导热性能较好，适用于焦化设备。有利于降低运营成本提高机械使用寿命[2]。
1.2金属粒塑料复合结构材料
金属粒塑料复合结构材料能够有效改善传统金属缺少的导电和导热性，可以很大程度的降低线膨胀系数,其质量小、强度大等优势在机械设备制造中得到了很好的应用。
1.3碳纤维石墨纤维复合结构材料
这种复合结构材料的劲度、强度与重量比、比刚度较高，性和耐磨损性良好，线膨胀系数小、耐摩擦性能高，同时由于耐热性和耐腐蚀性良好的特性被广泛于高新机械制造技术之中。
1.4弥散强化复合结构材料
弥散强化复合结构材料有利于提升机械设备的耐热性和强度值。弥散强化复合结构材料广泛适用于耐热性良好的机械制造中[3]。
2复合材料在冲压模具制造上的应用
由于工作条件的差异，冲压模具对材料的要求也各有不同。这些模具材料大致可以分为冲裁模材料、冷挤压模材料、拉深模材料这三种材料的要求[4]。而在模具制造中对原材料的需求较高，必须要达到能够承受冲击、振动、拉伸、摩擦拉伸等巨大负荷的要求，能够保障在高温材料下工作。目前大多以钢材为制造冲压模具的主要制作材料，而碳素工具钢由于其性价比高，加工塑形难度小，在模具的机械制造中被广泛应用。但由于其承载能力低，对于硬度大塑性低的机械零部件制造难以适用。而金属复合材料的性能好可以有效避免零部件在工作过程中受到的强烈的磨擦和冲击。
3复合材料在机械制造上的应用
研究金属基复合材料是当代新材料技术领域中的重要内容之一。金属复合材料本身具有许多优良特性，但同时也存在着一些限制因素。不论其在航天航空领域的应用还是从当今一些小的应用范围来看，相比于普通的材料的突出优点还是在于低热膨胀系数和高疲劳极限。在机械制造的过程中想要确定原材料需要根据机械零部件的工作环境和要求来进行选择，既要避免零件在工作过程中失效的问题，又要保障延长机械的使用寿命。与传统的材料相比，金属材料的综合力学性更好，同时还具有导电、导热、耐磨、阻尼性好等特点。而且其膨胀系数几乎为零。现阶段金属复合材料性能的优越性和应用范围的广泛性优势日益突出。同时由于复合材料的可塑性强、结构功能一体化、抗疲劳断裂性能好等优越性能，在机械制造过程中逐步成为其他传统金属材料无法替代的功能和结构材料，更是促进现代机械制造业发展的重要基础。金属复合材料应用于现代化的机械设备中有利于合理的整合资源，响应国家节能减排的政策方针。金属复合材料由于其容易造型、重量轻、等优势相对而言更便于推广，方便使用和制造，其优良性能可适应机械制造工作中的恶劣环境，并有较高的抗腐蚀的作用，其在机械制造中的使用和推广深受喜爱。金属复合材料由于其造价低，已维修的特质。可有效避免机械零部件的磨损报废率，有利于带动新兴工业的发展，形成新的经济增长点。
4结语
从长远的角度看，金属复合材料在这些行业的应用不仅可以提高生产的系数，更可以降低成本，赢得更多的经济效益。金属复合材料由于其质量小、强度大弹性良好、抗化学腐蚀等优势，现已经广泛应用于机械制造领域当中。近年来我国机械制造方面针对新型金属复合材料性能的研究和运用获得了巨大的进步，金属复合材料在机械制造工业当中的运用比例也逐渐加强。在大多数大型企业的设备都开始应用金属复合材料，会使很多的轻工业从中受益，在与日俱增的激烈竞争中取得更稳定的立足之地。
参考文献
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[3]李壮苗.当代产业大发展背景下的金属爆炸复合材料的热处理研究[J].时代报告,2016(24).
金属基复合材料范文2
关键词：接头 力学性能 金属连接 碳纤维复合材料
中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0080-01
碳纤维复合材料，是指将石墨纤维或碳纤维作为增强相，将化学沉积碳或石墨化、碳化硅的树脂作为基体的一种复合性材料。此类材料具有温度升高慢、散热快、线膨胀系数低、抗烧蚀、尺寸稳定、抗腐蚀、质量轻、耐高温等优点，所以在机械制造、航空工业、核工业等领域中得到了广泛应用。碳纤维复合材料是一种非金属材料，要对其进行钎焊，难度较大，通常会采用沉积、烧结、镀敷等方法，将金属粉末处理在碳纤维复合材料的表面，再行常规钎焊。另外，也可以采用活性金属法进行钎焊。由于碳纤维复合材料的工艺复杂、制备周期长，应用范围局限性较大，其与金属连接工艺也基本上只在一些科研单位中有应用，所以关于碳纤维复合材料与金属连接的文献报道较少。该文将对碳纤维复合材料与几种常见金属的连接方法及接头力学性能测试进行研究。
1 碳纤维复合材料与金属的连接
1.1 与铜的连接
碳纤维复合材料（CFRP）在与铜连接后，其结构的导热性能良好，同时结构质量比铜更轻，另外，由于铜与CFRP的导热系数较为接近，所以在使用及钎焊时不易产生较大热应力。铜与CFRP的连接主要采用钎焊方式，最早的钎料选用Cu-Pb（质量分数为50%），在钎焊冷却后即可使铜、复合材料、钎料形成连接界面，但该连接界面的强度较低。随着工业技术的不断发展，发现过渡元素Zr、Ti等的化学活性较强，在液态条件下可与C发生反应，所以在传统钎料中添加一定量的活性元素，就可使复合材料表面变湿润，从而降低与金属连接的难度。该方法通常在高纯度惰性气体或真空炉环境下实施，一般钎焊连接可一次性完成。
Ag-Cu-Ti是常用的活性钎料，钎焊通常在真空条件下进行，T值取820 ℃，通过钎焊所获得的接头强度较高，但其在核辐射环境中，Ag可发生化学反应，变为Cd，降低接头强度，所以此类接头无法在核聚变装置中使用。钎料选用Ti，进行复合材料与铜的连接，在真空下进行共晶扩散，焊接参数t为300 s，T为1000 ℃，并对试样施加一定压力，所获得的接头则可有效避免上述问题。同时，若能使用Cu-Ti膏对复合材料表面进行预涂，所获得的接头强度最高。
1.2 与铝合金的连接
与铝合金相比，铜基、银基等活性钎料的熔点更高，所以高温钎焊法不适用于铝合金与CFRP的连接。据国外文献报道，对7075-T62铝合金和CFRP分别使用螺栓连接、胶结、螺栓+胶结3种方法进行连接，结果显示：选用FM73粘结剂时，粘结剂强度会在很大程度上决定接头强度；选用EA9394S粘结剂时，起决定性作用的是螺栓接头强度。一般情况下，在胶结强度低于螺栓连接强度时，混合连接的强度将比螺栓连接强度更大；若胶结强度高于螺栓连接强度，则混合连接强度将比螺栓连接强度更小。
在将2024-T3铝合金与CFRP做双缺口对接时，在高温条件下使用环氧树脂进行粘结，然后固化24 h（室温），分别在250 ℃、室温条件下对此接头做双面剪切试验，发现室温条件下，接头的抗剪切强度为20 MPa，断裂发生在复合材料上；250 ℃条件下，抗剪切强度仅为3.5 MPa，断裂发生在接头部位。热循环试验显示，热应力使接口抗剪切强度大为降低，在试验中甚至会出现接头自然断开。
2 接头力学性能测试
一般来说金属与CFRP的接头所处的工作条件都较为恶劣，人们出于安全性、可靠性考虑，会在应用前，对接头做必要的力学性能测试。
2.1 冲击热应力
在工作环境中，金属与CFRP的连接结构可能发生急剧冷却或加热，此时结构内部的温差较大，产生极强的冲击热应力。通过衡量接头的热冲击断裂强度（）和抗热冲击性（Δ），可模型化加热区域。断裂强度及抗热冲击性计算遵循热传导公式：
Δ=
=
上式中，KIC：断裂韧性值；α：热膨胀系数；E：杨氏模量；k：热导率；σt：抗拉强度；S*：无量纲热应力；β：电弧放电热有效应因子；FIe：试样顶部裂缝释放应力的影响因子（无量纲数）；c：试样边缘裂缝长度；a：试样加热区域半径；h：试样厚度；R：试样半径。电弧放电时间设定为0.7 s。
2.2 抗拉强度
结构力学性能的一个重要参数就是抗拉强度，其是指拉断材料前的最大应力值。若母片都为薄片，可将CFRP两面与金属基板搭接，载荷与接头截面相垂直。复合材料基本与金属管连接时，将1根钢板贯穿金属管，钢棒与金属管紧密抵触，与荷载传感器相连接，施加荷载的十字滑块速度为1 mm/min。
2.3 热循环
对接头进行热循环试验的目的，是为了评价其抗热疲劳性能。比如对2021-T3铝合金与CFRP胶结接头进行热循环试验后，结果显示温度范围在50～250 ℃，热循环共包括以下几个阶段：50 ℃维持30 s；在120 s后升温至250 ℃；250 ℃维持60 s；在120 s后降温至50 ℃；50 ℃维持30 s。
试验标准中对试样尺寸、形状的规定，知识针对某类试验的要求，关于接头的力学性能测试方法，应根据材料使用要求来选择。比如套管对接结构中，为使接头满足工程需要，还应对其做液压强度、气密强度等性能测试。
参考文献
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[2] 洪宝剑.碳纤维复合材料传动轴的设计研究[D].武汉理工大学，2012.
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金属基复合材料范文3
关键词：纤维增强聚合物；抗弯构件；施工工艺
中图分类号：U215.14 文献标识码：A 文章编号：
1、FRP复合材料的研究与发展
20世纪40年代，FRP复合材料主要应用于航天航空领域。20世纪70年代，FRP开始应用于土木工程领域。美国、英国和以色列最先应用这种新型材料作为建筑结构和桥梁结构中的主要构件，当时大多数采用玻璃钢。[1]我国是在1997年开始对纤维片材加固混凝土结构进行研究的，由于其优良的力学性能和经济有效的加固效果，从而科研机构和高等院校都开展了FRP加固性能的研究。
2、FRP复合材料
FRP复合材料（Fiber Reinforced Plastic/Polymer，FRP）是一种新型高级复合材料，在土木建筑工程结构加固中采用新型高级的FRP比采用钢板或其他传统加固方法具有非常明显的优势。 [2]
应用于结构加固与修复的增强纤维主要包括碳纤维增强聚合物（CFRP），芳纶纤维增强聚合物（GFRP）、玻璃纤维增强聚合物（GFRP）,他们都具有耐腐蚀、轻质、高强施工方便、抗疲劳的等显著优点，是解决混凝土结构腐蚀，加固问题的最有应用价值和前景的现代复合材料。[3]
2.1 FRP筋
FRP筋是将多股连续纤维以环氧树脂等作为基底材料进行咬合，此后经过特制的模具挤压、拉拔成型。
2.2 FRP片材
在FRP复合材料中，片材应用最为广泛。布状材料是纤维由单向或双向编织而成的一种片材，使用前不浸润树脂，在施工过程中再给予浸润；板材是指在使用前浸润树脂、使其固化成板状的一种FRP片材，施工时再用树脂将其粘贴于结构表面。
2.3 FRP型材
FRP型材包括拉挤成型、缠绕成型和旋转成型等方法。目前使用最多的是拉挤成型，缠绕成型也有使用。从材料角度看，以GFRP型材最多，这是由于GFRP型材价格便宜。最近几年也有AFRP、CFRP型材的生产和应用。
3、FRP加固混凝土锚固技术
此技术适用于FRP筋，预应力FRP片材进行加固混凝土结构。
4.1 FRP筋锚具
FRP筋具有高抗拉强度，特别适合作预应力筋，但由于其抗剪强度低，锚固形式一直是国内外研究的难点。目前开发的锚具有以下三种：
（1）机械夹持式锚具。机械夹持式锚具主要是靠锚具与FRP筋间摩擦力和咬合力产生的均匀表面剪力来实现锚固的。
（2）粘结型锚具。粘结型锚具就是通过界面间的胶结力、摩擦力以及表面凸凹产生的机械咬合力来传递剪力的。
4.2 FRP片材锚具
FRP片材锚具FRP布的锚具主要包括以下3种类型锚具。
（1）平板式。先用环氧树脂将片材两端粘贴在平板式锚具上，待树脂完全固化后进行张拉，然后，再将片材通过环氧树脂粘贴到加固构件上，使其通过粘结力与加固构件共同工作。它具有构造简单、现场施工方便、可施加高水平预应力等优点，是目前工程应用最广泛的FRP片材锚具。
（2）圆杆、椭圆式和波浪型压板式。其优点是纤维布为机械式固定，不需要在加固操作前预先粘贴纤维布；缺点是施加的预应力水平较低。
5、FRP加固混凝土结构工艺
随着FRP加固方法研究的深入，研究人员对FRP与混凝土构件的不同连接方法进行了大量研究。
5.1 抗弯加固工艺
对于混凝土受弯构件的FRP加固方法，目前研究、应用最为广泛是FRP外贴补强加固方法(EB．RP法)。[4]该方法通过树脂类粘结材料将FRP片材粘贴于混凝土表面，通过胶接作用使FRP片材与混凝土受弯构件共同工作，其加固形式如图5所示，包括：干铺体系、湿铺体系、 预浸渍体系及预处理体系。
NSM—FRP法是近年来开发的一种新FRP加固方法，该方法要求在构件的混凝土保护层内预先开槽，将FRP筋或FRP板条用环氧树脂嵌入其中，灌人树脂填平凹槽以加固混凝土构件。
5.2 混凝土柱加固工艺
FRP的一个重要应用是加固混凝士柱，使得核心混凝土处于三向受压状态，从而提高其抗压强度和变形能力。[5]
（1）湿包法，它是在现场用粘结树脂浸渍纤维片材粘贴于柱的表面，或把纤维布 （套筒）缠绕于柱的表面，形成约束混凝土，达到纤维增强的目的。
（2）应用预制纤维板材，现场粘结于结构表面。纤维板材是预先浸渍树脂后在高温高压的模具内反应固化，并连续拉挤成形。
（3）预浸渍（半固化）纤维材料的应用，一般在较高的温度下养护，纤维束和纤维条带可用机器自动缠绕。
（4）树脂浸入法，首先把干的纤维织物缠绕在结构上，然后真空注入粘结树脂，室温养护。
5、结论与展望
混凝土结构加固技术总是与加固所用材料密切相关的。FRP复合材料所具有的轻质、高强和耐腐蚀等优点，是其具有发展前景的基本条件，它在混凝土加固领域具有广阔的发展前景。本文认为今后它在加固领域中的主要应用和研究方向为：
（1）宜采用FRP复合材料与高强混凝土组合结构，以便充分发挥两种材料的优点，降低成本，减轻自重，提高跨越能力。
（2）FRP板加固混凝土结构抗弯承载力的理论建模及提高限值的研究以及抗剪承载力的机械锚固措施研究；[6]
（3）FRP预应力加固技术，所需费用不高，效果可观，具有推广应用潜能。
参考文献
[1] 王苏岩,韩克双. 纤维增强复合材料（FRP）加固混凝土柱的性能研究进展[J]. 地震工程与工程振动,2004,24,1:98
[2] 姚谏.FRP复合材料加固混凝土结构新技术研究进展[J].科技通报,2004,20,3:216
[3] 周明芳.纤维增强聚合物FRP在混凝土加固领域的研究与应用[J].江西科学,2006,26,6:910
[4] 刘涛,桂钰,王兆清.FRP抗弯加固方法的研究进展[J].山东建筑大学学报,2009,24,4:357
金属基复合材料范文4
关键词 碳纳米管/铜基复合材料；制备工艺；显微组织
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0050-02
将增强纤维、颗粒等与铜制备成铜基复合材料，可以提高其强度、耐磨性以及保持较优良的导电导热性能。SiC作为一种陶瓷颗粒，具有弹性模量高及抗氧化性能好等优良性能。由于金属具有优良的力学机械性能，使得金属基复合材料可以按机械零件的结构和性能要求，设计成合理组织和性能分布，从而工程技术人员对材料的性能进行最佳设计。由于能够根据不同的力学性能要求来选择相应的金属基体和不同的增强体，使得复合材料中的各组成材料之间既能保持各自的最佳性能特点，又可以进行性能上的相互补充，功能上的取长补短，甚至满足一定的特殊性能，所以纳米复合材料是一类具有结构和功能极佳的材料。另外，纳米复合材料由于具有特有的的纳米表面效应、特有的纳米量子尺寸效应，能够对其光学特性产生影响。按照复合材料基体的性能特点特，人们将纳米复合材料通常分三大类：纳米树脂基复合材料、纳米陶瓷基复合材料和纳米金属基复合材料。纳米金属基复合材料不仅具有强度高、韧性高的特点，纳米金属基复合材料还具有耐高温、高耐磨及高的热稳定性等性能。纳米金属基复合材料应用表明：在功能方面具有高比电阻性能、高透磁率性能，以及高磁性阻力等物理性能。本文采用球磨混料方法，通过真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料，研究铜基纳米复合材料的制备工艺，分析相应的材料性能。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验用原材料是上海九凌冶炼有限公司生产的电解铜粉，铜粉纯度是99.8%，铜粉粒度为-300目，铜粉松装密度是1.2～1.7。碳纳米管（CNTs）选用深圳纳米港有限公司产品。选用哈尔滨化工化学试剂厂的十二烷基硫酸钠（化学纯），以及该厂生产的酒精（分析纯）。
1.2 试验方法
试验采用行星式球磨机进行湿磨混合配料，选择的球磨机转速参数为300 r/min，球磨时间为2.5小时，试验球料比选择为1：1。试验的热压温度参数选择在800℃进行烧结，热压压力参数为3.9吨，烧结时间参数为3小时。使用光学显微镜分析复合材料的显微组织特点，用新鲜配制的三氯化铁盐酸酒精溶液腐蚀复合材料组织，腐蚀时间选为15 s。
2 试验结果与分析
2.1 碳纳米管/铜基复合材料显微组织
2.2 CNTs/Cu复合材料的硬度
2.3 CNTs添加量对复合材料相对密度的影响
试验结果表明，纯铜试样致密度最高，但是，随着碳纳米管含量的增加，纳米复合材料的相对密度下降。复合材料材料相对密度随着碳纳米管含量的增加而逐渐降低，原因主要是碳纳米管和铜的润湿性较差，致使强化相CNTs不能均匀分布，引起复合材料的缺陷，材料中产生孔隙，呈现出相对密度的下降的特点。
3 结论
1）采用球磨混料方法，真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料。
2）随着CNTs的增加，复合材料的硬度呈现降低的趋势，CNTs含量与硬度之间关系为曲线关系。
3）纯铜试样致相对密度最高，随着碳纳米管含量的增加，复合材料的相对密度下降。
参考文献
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金属基复合材料范文5
关键词：面向环境；汽车轻量化；节约能源
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.259
1 前言
我国是世界上汽车拥有量和汽车消费量最大国，汽车工业是我国的支柱产业之一。汽车燃油消耗量越大，废气排放量越多。随着可持续发展理念的深入人心，充分考虑汽车选材、生产、加工等环节对节省资源、能源、保护环境的要求，从而提高汽车使用中对资源及能源的利用效率，降低成本，提高质量，增大可靠性，延长设备使用寿命。现代汽车选用材料除满足力学性能和使用寿命的基本要求外，还应满足比强度、比模量、价格、外观、环保、安全、节能等需要。汽车选用材料种类繁多，包括钢铁、铝合金、树脂。汽车选用材料中的表面处理钢板、高强度钢板逐年上升，有色金属材料总体有所增加，非金属材料也逐步增长，高性能复合材料和工程塑料品种繁多，有的替代了普通塑料，有的在汽车上的应用范围广泛。汽车轻量化材料的选择可以降低整车的重量，并为汽车的性能服务，如降噪音、消震动、合理气流、减重量和降低成本等。因此，应用和研制轻型汽车材料，提高汽车发动机功效，减少油耗及废气排放，减轻整车重量，提高整车性能，保障其安全性、可靠性是世界汽车发展中面临的挑战。
2 复合材料在汽车量化技术中的应用
汽车量化技术中应用的复合材料主要有金属基复合材料和聚合物基复合材料。复合材料的各组分之间的协同作用，使其能够取长补短，获得基体材料和增强材料所没有的新性能。汽车用复合材料不仅可进行各组分之间选择材料设计，还可以根据结构特点进行复合结构设计，通过改变增强体的比例进行设计。大部分金属基复合材料的增强材料具有密度小，刚度大，强度高等性能特点；金属基复合材料的基体材料具有成形性能好的特点。目前，金属基复合材料已逐步取代部分金属合金，广泛应用于汽车发动机活塞、连杆、轴瓦、电器原件、保险杠等。满足汽车发动机向高负荷、高速、增压方向发展要求，从而减轻汽车自重，节约材料，节约燃油，减少废气排放，保护环境。聚合物基复合材料的具有较大的比强度、比模量大是其最突出的特点。玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料有较高的比模量、比强度；碳纤维、有机纤维、硼纤维增强聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的3-5倍，比模量相当于金属材料的4倍之多。聚合物基复合材料还具有耐疲劳性能好的特点，复合材料纤维与基体的界面能有效阻止内部裂纹的扩展，使其疲劳破坏从纤维的薄弱环节开始进行，然后逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。聚合物基复合材料还具有很好的加工工艺性，可采用手糊成型、注射成型、模压成型、拉挤成型、缠绕成型等各种方法制成各种形状的复合材料产品。同时聚合物基复合材料具有多种功能性，例如耐烧烛性好，具有较高的比热、熔融热和气化热的材料，可以有效吸收高温烧蚀时的大量热能；具有有良好的摩阻特性及减摩特性；具有高度的电绝缘性能、优良的耐腐蚀性能、特殊的光学、电学、磁学的特性。目前聚合物基复合材料广泛应用于汽车燃油管、汽车散热器水箱部件、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。特别是碳纤维增强尼龙复合材料应用于汽车工业中，作为发动机内部零件，使用增强及自的高性能复合材料上进展很快。碳（石墨）纤维增强聚合物复合材料用于制造发动机零件汽车车身等，可有效提高汽车性能，降低汽车自重，是汽车轻量化的重要发展方向之一。
3 轻有色金属及其合金在汽车量化技术中的应用
有色金属及其合金具有密度小、加工工艺性能好、耐腐蚀性能好等优点。铝合金挤压型材应用于无骨架式车体结构和空间框架车体结构，使得车身外板具有各种复杂断面形状和中空状型材，具有比重小，比强度大，制造成本低的优点。用中空铝型材作车身结构和保险杠与钢材件具有同等的抗冲击强度，车身重能大大减轻，当汽车发生意外时，还能吸收冲击能，保护乘客安全。挤压型材料用于保险杠，可比钢板焊接保险杠大幅度减少重量。铝合金通常用来制作覆盖件、保险杠、车轮、空调系统、窗框、保险杠、座椅、换热器扰流板等。镁合金比铝合金轻，其比强度及比刚度高，减振性能优良，弹性模量较低，具有优良的切削加工性能及铸造性能。镁合金以其优良的可回收性、导热性，被誉为绿色工程材料，有人称其为21世纪的时代金属。镁合金代替钢铁，使设备重量大大减轻。镁合金替代钢铁降低整车自重正在普及中，汽车壳体、车身件、骨架等零部件的轻量化已经实施，福特汽车每辆车镁合金用量逐年增加；许多汽车已在汽缸罩盖、转向盘骨架、踏板等零件上采用了镁合金，汽车工业正在汽车身件、铸造壳体等零部件上推广镁合金材料，近几年每辆车使用有色金属材料还在增加。目前，在汽车上仪表盘底座、发动机阀盖、座位框架、变速箱壳、方向盘轴等部件镁合金的使用普及率最高，为汽车汽车轻量化做出了贡献。
4 铸铁零件的薄壁化技术在汽车量化技术中的应用
汽车工业生产中需要大量的铸铁零件，汽车工业已成为我国国民经济的第五大支柱产业。汽车铸铁零件薄壁化、轻量化、强韧化是为了满足汽车工业对铸铁零件能源消耗、资源少，循环再生利用率高的要求，适应建设环境友好型、资源节约型社会的需要。对汽车工业而言，降低整车自重对节能、减少废气排放有关键性的意义。铸件的薄壁高强化技术应用也将日益成熟并将迅速拓展，将来3-5mm的高强薄膜球铁件将会大量出现在汽车铸铁零件中。
参考文献：
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金属基复合材料范文6
关键词:钛合金;复合材料;钎焊;显微组织;力学性能
中图分类号:TB331 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2016)01-0061-05
在航空航天领域中，长期以来机载侦察及导弹导引所必需的光电平台以铝合金、钛合金和钛/铝复合构件作为其主要结构材料，其中铝合金具有较高的热膨胀系数，所以导致光电平台结构抗热载荷作用的能力很差，进而直接影响系统的测量精度、视轴稳定和图像清晰度等关键技术指标，因此降低平台结构材料的热膨胀系数势在必行［1-2］。高体积分数(≥55%)碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/AlMMCs)的热膨胀系数可以比铝合金低60%，其比模量比铝合金高出近2倍，同时还使铝合金构件的平均谐振频率提高约60%～70%［3-5］。如果采用高体分SiCp/Al复合材料代替钛/铝复合构件中铝合金，那么构件的刚度和疲劳强度等将会得到很大的提高，并且复合构件中的焊接应力也将会下降［6-8］。由于高体分SiCp/Al复合材料制备工艺的特点，其内部总存在一定的空隙率，高体分SiCp/Al复合材料中增强相与基体之间的物理、化学性能差异很大。还有高体分SiCp/Al复合材料与钛合金在物理化学性质和力学性能方面存在着巨大差异，这些特殊性给其连接带来很大的困难［9-12］。到目前为止，尚未查到国内外关于高体分SiCp/Al复合材料与钛合金连接的报道。本文使用了一种操作方便的非真空超声辅助钎焊方法，利用Zn-Al钎料钎焊TC4钛合金和高体分SiCp/Al复合材料，解决了钎料同时与金属和复合材料同时润湿结合的问题，并对接头的组织结构和接头的剪切强度进行了分析。
1试验材料及方法
钛合金基体材料为TC4，其成分(质量分数)为:0.3%Fe，0.15%Si，0.1%C，0.05%N，0.015%H，0.2%O，5.5%Al，4.5%V，余量Ti。复合材料是采用无压渗透法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其SiC颗粒的体积分数约为55%，由平均尺寸为～10μm及～50μm的两种颗粒混合而成。复合材料的基体为ZL101铝合金，是Al-Si-Mg系合金，可热处理强化，强度较高，塑性较好，其基体合金的化学成分(质量分数，%)为Al-(6.5～7.5)Si-0.3Mg-(0.08～0.20)Ti。复合材料无压浸渗工艺流程如下:首先，将适宜品质及两种粒径(～10μm和～50μm)的SiC颗粒进行混合，将其装入耐高温模具中并将其堆积密度精确控制在55%～57%内。然后采用氮气保护，加热到800℃保温数小时。即可实现SiC颗粒密堆积体与熔铝之间的高质量的无压浸渗复合，从而获得完整、致密的复合材料坯锭。两种材料都被加工成50mm×10mm×8mm。试验所采用的钎料为Zn-4Al-3Cu-1Si钎料，其熔点为380～399℃，抗拉强度为250～300MPa。试验采用超声辅助钎焊，其工艺是首先在690～900℃范围内，让钛合金浸入液态纯铝5min后取出处理表面至平整。然后将钛合金与复合材料搭接在一起(搭接长度为20mm)装入夹具，放在焊接平台上，钎料放置在两种材料焊接面中间，升高温度达到420℃至钎料熔化后，施加超声振动5s，再保温4min完成焊接。其中超声头产生频率为20kHz，超声波振幅为10μm。采用日本日立公司生产的S-4700线性扫描电子显微镜(SEM)对钎焊接头微观组织观察，用所配置的能谱分析仪(EDS)对接头中各位置的成分进行测定。焊接接头在电子万能试验机(Instronmodel1186)上进行剪切试验，测试速度为0.5mm/min。剪切试样搭接尺寸为10mm×10mm×16mm，为了确保接头的剪切强度的准确性，同一工艺至少选用3个焊接试样进行试验。
2结果与讨论
2.1钎焊接头显微组织
图1所示为钛合金/复合材料钎焊接头的显微照片。通过对接头的显微组织观察可发现，在钎缝中没有观察到夹杂、缩孔、气孔等缺陷。复合材料的表面变得凹凸不平，表明钎料对复合材料基体产生了溶解(见图1a)。另外还观察到钛合金与复合材料母材表面氧化膜去除彻底，钎缝与两种母材结合界面良好，钛合金与复合材料两种母材与钎料之间达到了良好的冶金结合。进一步放大钎缝组织发现，SiC颗粒与钎料合金界面结合紧密，没有因颗粒未润湿而形成的孔洞缺陷(见图1b)。SiC颗粒均保持原始形状与尺寸，没有观察到由于界面反应而导致的颗粒溶解现象。这主要是因为焊接的温度为420℃，SiC颗粒与Zn、Al等金属之间没有发生化学反应，形成界面金属间化合物。同时可以在钎缝中观察到许多尺寸在10μm以内的颗粒，推测应是复合材料中小尺寸的SiC颗粒迁移到钎缝中。说明Zn-Al钎料中的Zn元素向复合材料中进行了扩散，并与复合材料基体中的Al元素形成Zn-Al固溶体。根据Zn-Al二元相图，这种固溶体的熔点低于400℃，在焊接温度时呈液态，可以自由流动。此时钎料中原有的富Al相及SiC颗粒与Zn-Al固溶体共同形成了微小的部分熔化区，SiC颗粒随着熔化区一起进行了流动，导致SiC颗粒脱离了复合材料基体。由于小尺寸的SiC颗粒比大尺寸SiC颗粒更易于运动，所以在钎缝中观察到了大量的小尺寸SiC颗粒。图2所示为钛合金/复合材料钎焊接头的扫描电镜照片。从照片可以观察到整个钎焊接头由3部分构成:复合材料、钎缝和钛合金。其中A区所示组织成分主要由70.65%的Zn和26.65%的Al所构成，B区所示组织呈现细小的条纹组织，包含Zn、Al和Cu3种元素，其中Al元素的质量分数约8%(见表1)。结合Zn-Al合金二元相图可知，可以确定该钎缝中A区应为α-Al(即富Al相)，B区应为典型的共晶相，由Zn-Al二元共晶相及Zn-Al-Cu三元共晶相混和而成。由于在整个钎缝的形成过程中先结晶的α-Al生长的比较充分，尺寸约为30～70μm，其组织都呈大块状，分布于细小而连续的共晶组织中。在钎缝的显微组织中有少量尺寸约10μm的SiC增强相颗粒，这些颗粒以单独的形式分布于大块状α-Al之间。在钎焊接头中的钛合金侧Zn-Al钎料与钛合金直接接触并也完全润湿。由于焊接前钛合金进行了浸铝处理，因此在焊接时钛合金表面应该有浸铝层的存在。但从图2(a)中并未观察到浸铝层的存在，所以可以推测浸铝层与Zn-Al钎料发生了相互溶解。这个溶解过程使浸铝层中的铝进入到钎缝中，并在钎缝中形成灰色的α-Al相。还可以观察到钛合金与钎料的界面有一层非常薄的黑色组织，其厚度在2μm左右，应为浸铝或钎焊时反应生成的金属间化合物(见图2b)。通过对黑色薄层组织EDS分析发现，该组织主要由Ti和Al两种元素所构成，如表1所示。Ti元素与Al元素的比值接近1比3，所以推测该化合物可能为TiAl3相。图3所示为钛合金/钎缝界面区域的线扫描结果。EDS线扫描曲线显示了Ti，Al，Zn和Si在界面层及钛合金、钎缝中的元素含量变化趋势。其中Ti元素曲线在钎缝中下降为最小值，说明Ti元素几乎没有向钎缝中扩散。而Al元素曲线在界面层上出现一个峰值平台，可以确定在此处应为成分稳定的金属间化合物相。Zn元素曲线在界面处变化幅值很大，说明Zn元素扩散很少，没有参与界面反应。Si元素的含量较小，说明Si元素也没有参与界面反应。这从另一个方面也说明了界面层中，Ti元素和Al元素的比例近似保持恒定，为金属间化合物。此外，V元素没有呈现出明显的扩散特征，所以可以确定该化合物一定为TiAl3相。由于钎焊前钛合金进行了浸铝处理，液态铝合金相对钛合金试样，是大量的且充足的。在液态铝合金充足的情况下，固态钛与液态铝之间进行的反应只能生成TiAl3相［8-9］，这与本试验中观察到的现象是一致的。另外TiAl3相的形成和长大分为两种机制:界面反应控制和扩散控制。第一个阶段为界面反应控制，在时间非常短的情况下，TiAl3只在平行于界面的方向上非均匀形核，形成一层金属间化合物，如图3所示;第二个阶段为扩散控制，随着保温时间增长，金属间化合物的厚度增加，TiAl3在垂直于界面的方向上通过扩散开始生长，并且金属间化合物会开始变得松散，与铝形成二相结构。本试验中所观察到的接头中TiAl3相只有一个薄层，可以确定TiAl3相应为钛合金浸铝的界面反应控制阶段所生成。
2.2钎焊接头力学性能
本研究还对钛合金/复合材料钎焊接头进行了力学性能测试，测试方式采用压剪施力形式，此时母材受到的是压应力。在此钎焊条件下钛合金/复合材料接头的剪切强度为144～167MPa。图4所示为钎焊接头剪切后钛合金侧宏观断口形貌，从图中可以看出剪切断面主要有D区和F区两种形貌所构成。其中E区为两种形貌的过渡区，过渡区里存在部分断面平整的SiC增强相颗粒，并且所有SiC增强相颗粒均与其周围基体结合紧密，没有发生脱粘现象。经EDS成分分析，G点断口成分的质量分数为Zn∶Al=81∶9，与Zn-Al钎料的成分相近，如表2所示。可以确定E区中为复合材料基体到钛合金侧界面化合物的过渡区。经EDS成分分析可知F区的主要成分为Al、Ti和Zn3种元素，如表2所示。因为Zn元素只存在于钎料中，可知F区含有部分钎料。另外该断口区域含Ti为24at%，Al为54at%，可以认为该断口区域应为金属间化合物TiAl3相。可以证实剪切时断裂主要发生在钛合金表面金属间化合物中。表明在加载过程中，由于反应层中金属间化合物TiAl3既硬又脆而难于发生变形，在反应层内部产生较大的应力集中。在这种大应力集中的作用下，裂纹源首先会在脆硬的化合物内部萌生并很快地贯穿该化合物，形成脆性断裂面。在金属间化合物TiAl3的间隙中存在少量的钎料，当裂纹扩展到钎料处时，裂纹不再扩展，钎料发生塑性变形。此时，接头的承载面积减小，导致接头失效。可以确定，断口中D区为复合材料基体，F区为金属间化合物TiAl3相。经过上述分析说明钛合金/复合材料钎焊接头剪切断裂部位围绕着TiAl3层和复合材料母材界面区附近，属于混合断裂特征，其大部分断裂发生在界面的化合物中，局部断裂发生在复合材料区域。在本研究中采用Zn-Al钎料超声辅助钎焊的方法，可以溶解复合材料中的铝基体使得小尺寸的SiC陶瓷颗粒进入钎缝，提高了钎焊接头的强度。同时溶解了钛合金表面预浸的铝合金，而实现了在较低温度下钛合金与铝基复合材料的连接。当钛合金和复合材料形成冶金连接后，钎焊接头的断裂主要发生在钛侧界面金属间化合物层中。
3结论
1)在420℃施加超声振动5s，保温4min下，利用Zn-Al钎料可实现钛合金和SiCp/Al复合材料的超声辅助钎焊，并得到成形良好连接接头;2)钛合金和SiCp/Al复合材料接头上复合材料侧大量的小尺寸SiC颗粒会迁移到钎缝中，而钛合金在浸铝时会生成金属间化合物TiAl3相，平均厚度为2μm左右。在钎焊过程中，浸铝层溶解于钎缝，而TiAl3相不发生变化，保留到最后的钎焊接头中;3)钎焊接头的最高剪切强度可达到167MPa，其接头断裂于TiAl3层和复合材料母材界面区附近，且大部分贯穿金属间化合物TiAl3层。
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