1,第九章 金属基复合材料,2,第一节 金属基复合材料的种类和基本性能 随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高 在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域 金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的3,金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度； 而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性； 与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能4,金属基复合材料的这些优良的性能决定了它已从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大5,一、金属基复合材料的种类 金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行6,1．按基体分类(1)铝基复合材料(2)镍基复合树树(3)钛基复合材料,7,(1)铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用得最广的一种由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。
8,在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金 这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定9,(2)镍基复合材料 这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件10,人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度 但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果11,(3)钛基复合材料 钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度 此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度12,因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性13,随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求14,基体和增强体的热膨胀系数,钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示15,2. 按增强体分类(1)颗粒增强复合材料 (2)层状复合材料(3)纤维增强复合材料,16,(1)颗粒增强复合材料 这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20％的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。
17,此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1um 在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工18,虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要 除此以外，这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感19,(2)层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料20,层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大 因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心21,由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制 然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性22,(3)纤维增强复合材料 金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体 因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。
23,当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用24,2、金属基复合材料中增强体的性质,虽然各种复合材料中的增强体不同，但它们都具有许多共性 由于纤维状增强物能够最有效地增强金属基体，因此这里将对此进行重点讨论25,对纤维状增强体性能的要求如下： (A)高强度纤维的高强度首先是为了满足复合材料强度的需要，其次还可使整个加工制造过程简单26,(B)高模量对于金属基复合材料而言，这种性能是非常重要的，这是为了使纤维承载时，基体不会发生大的塑性流动 (C)容易制造和价格低廉如果在重要结构上应用，这个条件对工业生产的要求是十分必要的27,(D)化学稳定性好 对所有纤维来说，在空气中的稳定性和对基体材料的稳定性是很重要的28,(E)纤维的尺寸和形状对于采用固相制造法的金属基复合材料，大直径的圆纤维更加合适 由于纤维的表面积小，化学反应也比较小，故借助金属基体的塑性流动，这些纤维很容易和基体结合，,29,(F)性能的再现性与一致性 对于脆性材料或高强度材料，这种要求是非常重要的 由于复合材料的强度取决于纤维的束强度，这种束强度与每个纤维的强度有关。
因此，需使各个纤维的强度驱于一致30,(G)抗损伤或抗磨损性能 脆性纤维对湿暴露或表而磨损特别敏感，这些缺点对一般复合工艺都有不利影响31,一些增强纤维的典型性能,下表列出了一些重要的增强纤维及其性能,32,从表中可以看到，像“火箭丝”(钢丝) 和钨丝等高强度丝，就是由于具有高强度才成为特别有用的增强材料33,Ｅ--玻璃纤维和Ｓ玻璃纤维具有优良的比强度和低成本，因此可以说是树脂基的最重要的增强纤维 但由于这些纤维模量低且化学性质活泼，所以很少用来增强金属34,氧化铝纤维是用从熔体中提拉子晶的方法生产的，这种单晶纤维的典型直径为250um，具有很高的强度但氧化铝纤维对磨损很敏感，而且很贵35,用硼纤维增强铝合金和镁合金时，具有很好的综合性能 用三氯化硼气体通过化学气相沉积法可获得硼纤维，将硼沉积在1200 ℃的钨底丝上36,用钨作底丝，主要是由于它的再现性好、强度高、价格低且化学纯度高，但有时也用碳单丝及其它金属丝作底丝37,硼纤维具有一系列很突出的优点，它的比模量和比强度高，与固态铝和液态镁的化学相容性好，直径大，再现性好且价格适宜38,B4C纤维和SiC纤维已有实验室规模的生产。
这种纤维的生产方法与硼纤维十分相似，也是在钨或碳的底丝上用化学气相沉积法生产的这些沉积物都是结晶体，对表面磨损十分敏感39,B4C和SiC纤维的结晶形结构比硼纤维具有更好的抗蠕变性能，因此这些纤维主要作为高温增强材料40,石墨纤维或丝束有优良的比模量和比强度其弹性模量通常与高温石墨化程度有关，一般可达240~250GPa 但由于这种纤维和熔融金属有反应，使复合材料加工因维，从而使其作为金属基体的增强体的应用受到限制41,3、金属基复合材料的强度 由于大多数金属基复合材料均表现出各向异性，所以在各个方向上的强度也不尽相同 以纤维增强金属基复合材料为例，则表现为纵向强度与横向强度的差异42,(1)纵向强度 材料强度与弹性性能不同，不代表整个测试段上的平均性能，而主要代表局部区的性能43,材料强度可以定义为材料发生破坏的最弱横截面上的平均应力 一般情况下，材料强度是指原始横截面积上的应力，而不是瞬断面积上的应力44,在静态拉伸应力条件下，判别抗拉强度时，是按原始截面计算的材料试样能够承受的最大张应力或极限张应力 对于高模量的金属基复合材料的断裂，则是由于载荷不断增加，纤维不断断裂，承载能力相继下降从而导致了材料的破坏。
45,复合材料强度同组分性能间的关系可用如下的公式表示：,式中，C*表示复合材料的抗拉强度，即复合材料原始面积上的应力； F为所有纤维上的平均应力； M是基体在断裂时的平均应力；VF和VM是纤维和基体的体积分数46,如果没有孔隙及第三相存在，则应有,如果所有纤维的强度相近，剩下的基体在纤维断裂时又不能承受载荷，这时F就等于纤维的平均强度，而M可以认为是在基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力47,McDaniels等人对此曾用钨丝铜基复合系进行了研究，并将复合材料的强度绘成纤维体积比的函数，如下图所示48,高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则,49,从图中可以看出，仅在纤维体积比大于临界纤维体积比VF*时，下列公式才可适用,如果纤维体积比比较低，基体在全部纤维断裂后仍能承受载荷，这与上面的假设不符50,上述公式应该采用纤维的有效强度，由于脆性纤维的拉伸强度范围相当大，故有效强度值却不能简单测定51,尽管当纤维强度相近时可以采用纤维的平均强度，但对硼这样的脆性纤维，用纤维平均强度并不能很好地预测复合材料的抗拉强度52,当弱纤维断裂时，引起三种重要的变化 (A)由于破断纤维失去强度，而使该处截面上的强度降低。
(B)破断纤维裂纹周围的静应力集中会降低材料的有效强度 (C)破断纤维失去载荷时产生的动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力53,第一种变化也与基体内的纤维临界载荷传递长度有关 在纤维破断位置上，由于破断纤维失去载荷能力而使材料强度有相应的损失54,在临界载荷传递长度以下的纤维段上，纤维承载能力的减少量等于基体剪切应力回传给破断纤维段上的载荷之差55,如果载荷传递长度是无限长，则确定这种纤维强度时，或者测试一束纤维的抗拉强度，或者测试每根纤维，然后算出该组纤维所能承受的最大载荷56,破断纤维端周围的应力集中效应也会降低复合材料的有效强度 复合材料的一项重要性能即是当裂纹在垂直于外张力载荷的方向上扩展时，会受到纤维基体界面的阻滞 因为基体中裂纹顶端的最大应力值接近于基体的抗拉强度而低于纤维的断裂应力57,例如，在硼铝复合材料中，在铝中扩展的裂纹顶端应力可以达到350MPa，而纤维的局部强度接近4.2GPa 因此在这种复合系统中，裂纹顶端周围的应力集中不会导致不稳定的裂纹生长这种裂纹钝化形式示于下图58,,复合材料中的裂纹钝化,(a)界面开裂 (b)基体剪切变形和开裂,(a),(b),59,而在氧化铝--钛合金系统中，纤维和基体的强度比更接近于2:1，这时裂纹顶端的应力集中会使复合材料严重脆化和降低强度。
虽然裂纹顶端本身并没有严重削弱硼--铝复合材料，但局部应力集中是严重的60,在纤维破断位置上，由于受到束缚，破断纤维的两端会在基体中产生剪切应力因基体不能承担破断纤维原来承受的高载荷，这些剪切力主要由最邻近的纤维承担 如果最邻近的纤维没有破坏，则不会有局部应力传到更远的纤维上61,附加在未破断纤维上的局部张应力会导致不稳定的裂纹扩展，因为次邻近纤维的破断甚至会产生更大的剪切阻滞力； 下图给出了二维阻滞力的示意图62,二维裂纹的扩展箭头表示纤维上的剪切应力,63,如果这些力平均分配在最近邻的六根纤维上及平均纤维应力是2.8GPa时，则在纤维断裂时，加给邻近纤维的局部附加张应力就是2.8GPa，或者说每邻近纤维上的附加张应力是0.45GPa64,纤维断裂处的附加应力值最大，而在离开断头端的距离等于临界剪切传递长度处，附加应力减小到零65,当弱纤维断裂时，复合材料应力状态的第三种变化与由此产生的冲击波有关金属基复合材料中的断裂通常用声发射检查 动载断裂能主要被试样所吸收，但关于它对复合材料抗拉强度的影响还没有定量的研究66,总之，组分性能和复合材料强度之间的关系比弹性模量更为复杂，因为强度和局部材料有关，而不是整个材料的平均常数。
虽然对纤维有效强度能预测的复合材料，可以采用混合定则计算复合材料强度但对含脆性增强纤维的复合材料，这种计算就不很精确了。