楊劍博

摘 要：金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的高低直接關(guān)乎到制造產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，對(duì)于技術(shù)工藝人員來(lái)說(shuō)，必須要在認(rèn)真分析影響金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度因素的基礎(chǔ)上，合理制定有效的措施，盡可能避免其強(qiáng)度受到這些因素影響，才可以確保強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求?；诖?，本文介紹了影響金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的主要因素，而且分析了金屬基復(fù)合材料在五金制造行業(yè)中的應(yīng)用方向，以供大家學(xué)習(xí)和參考。

關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度;影響因素

在工程應(yīng)用中衡量復(fù)合材料的主要指標(biāo)是強(qiáng)度，所以復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理、影響強(qiáng)度的因素等等始終是研究的重要話(huà)題。然而因?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理尚未明確，目前有關(guān)設(shè)計(jì)金屬基復(fù)合材料的理論依舊存在一定的不合理和盲目性。因此，要想更好更快的促進(jìn)金屬基復(fù)合材料發(fā)展，必須要不斷探索和分析影響復(fù)合材料強(qiáng)度的主要因素。

1 影響金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的主要因素

1.1基體

不同強(qiáng)度材料基體對(duì)復(fù)合材料的性能指標(biāo)都有不同程度的影響，比如：抗拉強(qiáng)度、結(jié)合力還有屈服強(qiáng)度等等。然而并非基體強(qiáng)度越低，復(fù)合材料的強(qiáng)度就越低，而是存在最適合的匹配。根據(jù)有關(guān)研究成果顯示，在低強(qiáng)度的L3純鋁上能夠獲取最大的增強(qiáng)率，但是在高強(qiáng)度的LY12合金上只能獲得低的增強(qiáng)率，通過(guò)比較，具有很強(qiáng)的塑性和高強(qiáng)度的LD2當(dāng)做基體時(shí)，強(qiáng)度相當(dāng)高。而有些研究人員覺(jué)得基體本身強(qiáng)度不高，復(fù)合材料中基體強(qiáng)度將顯著提升，所以對(duì)基體強(qiáng)度不高的復(fù)合材料利用基體原位性能的明顯提升讓復(fù)合材料強(qiáng)度得到大幅度提升。這些研究均表示基體與增強(qiáng)體之間有優(yōu)化選擇以及科學(xué)匹配問(wèn)題。

基體合金化對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度有較大影響，有研究人員討論鋁合金成分影響Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能[1]。其研究結(jié)果顯示，在鋁合金中添加Cu以及Ni，在高溫環(huán)境下抗彎強(qiáng)度提高，提高Al的體積分?jǐn)?shù)，也可以提高抗彎強(qiáng)度。還有研究人員提出Mg含量直接影響基于Al-Si-Mg合金的復(fù)合材料強(qiáng)度，將Mg徹底消除，讓此合金強(qiáng)度大大的加強(qiáng)。此外，通過(guò)適量的添加稀土元素，也可以增加復(fù)合材料強(qiáng)度，比如：通過(guò)添加稀土Ce，在一定程度上可以加強(qiáng)基體。然而現(xiàn)階段，尚未對(duì)稀土元素加強(qiáng)復(fù)合材料的原因獲得結(jié)論。

1.2增強(qiáng)體

在基體金屬中添加增強(qiáng)體能夠利用對(duì)顯微組織，比如：亞結(jié)構(gòu)以及位錯(cuò)組態(tài)等變化，對(duì)基體金屬性能的缺陷進(jìn)行有效彌補(bǔ)。增強(qiáng)體的重要功能是利用基體合金的微觀組織改變得以實(shí)現(xiàn)，而且其需要承受載荷，而且其對(duì)位錯(cuò)的產(chǎn)生以及亞晶結(jié)構(gòu)細(xì)化有直接的影響。比如：就SiCp/AL復(fù)合材料來(lái)講，因?yàn)樘砑釉鰪?qiáng)顆粒，擴(kuò)大晶界面積，在固溶處理過(guò)程中基體內(nèi)因?yàn)闊徨e(cuò)配造成的位錯(cuò)，異號(hào)位錯(cuò)彼此抵消，同號(hào)位移就會(huì)經(jīng)攀移排列成與滑移晶面保持垂直狀態(tài)的小角度晶界，進(jìn)而形成亞晶界，而且此亞晶界面積不斷擴(kuò)大[2]。利用Hall-Petch關(guān)系式不難發(fā)現(xiàn)，亞晶界以及晶界的加大，基體合金晶粒以及亞晶結(jié)構(gòu)等細(xì)化，能夠使復(fù)合材料的強(qiáng)度得到提升。有研究人員研究結(jié)果顯示，就低強(qiáng)度鋁合金來(lái)講，要想確保金屬基復(fù)合材料的高強(qiáng)度，纖維必須要有相當(dāng)長(zhǎng)的長(zhǎng)徑比與比較高的界面強(qiáng)度，而針對(duì)高強(qiáng)度的鋁合金，需要確保纖維有相當(dāng)高的抗拉強(qiáng)度，這樣才可以確保金屬基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)高。

1.3界面

界面是復(fù)合材料中不可或缺的重要構(gòu)成部分，對(duì)復(fù)合材料有直接的影響。金屬基復(fù)合材料宏觀性能是否優(yōu)良通常受到增強(qiáng)體與基體之間的界面結(jié)合實(shí)際狀況影響。要想獲得不錯(cuò)的強(qiáng)度，界面結(jié)構(gòu)和性能是增強(qiáng)體與基體性能是否可以全面發(fā)揮、形成最優(yōu)綜合性能的重點(diǎn)。而金屬基復(fù)合材料中許多承載體無(wú)法發(fā)揮最好性能的根本原因是溫度-時(shí)間產(chǎn)生的界面反應(yīng)，因此必須要形成相對(duì)穩(wěn)定的界面結(jié)合。金屬基復(fù)合材料有著相當(dāng)復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)，界面區(qū)尺寸是納米級(jí)，很難對(duì)表征進(jìn)行合理分析，就理論層面來(lái)講，常規(guī)力學(xué)分析通常無(wú)法準(zhǔn)確得出結(jié)果。比如，復(fù)合材料增強(qiáng)體要想兼顧高效傳遞載荷以及避免裂紋擴(kuò)大，需要保持在最適合的界面結(jié)合狀態(tài)以及強(qiáng)度。如果界面上有臺(tái)階，除了能夠減少界面結(jié)合能，臺(tái)階還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械連鎖效應(yīng)，造成很強(qiáng)的界面結(jié)合，對(duì)加強(qiáng)機(jī)械性能是十分有利的。反之，若界面存在脆性的金屬間化合物，就會(huì)造成比較弱的界面結(jié)合[3]。又如，連續(xù)纖維加強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度必須要保持在適合的范圍內(nèi)，由于強(qiáng)界面結(jié)合很有可能由于過(guò)度界面反應(yīng)導(dǎo)致纖維受到一定程度的損傷。而在顆粒加強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料中，不管是基體還是增強(qiáng)體，都是承載向強(qiáng)界面結(jié)合，進(jìn)而將顆粒的增強(qiáng)作用全面發(fā)揮出來(lái)?，F(xiàn)階段，界面優(yōu)化有多種方法，比如：金屬基體合金化，還有改變粘結(jié)劑等等。

1.4制備工藝

不同的制備方法會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料體現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)。比如：就原位生成制備的復(fù)合材料來(lái)講，因?yàn)樵辉鰪?qiáng)相除了尺寸相當(dāng)細(xì)小，也與基體有著較強(qiáng)的界面相容性，以確保該復(fù)合材料具有相當(dāng)高的強(qiáng)度[4]。高能球磨法可以讓增強(qiáng)體顆粒在基體均勻分布，顆粒均勻，對(duì)提升復(fù)合材料強(qiáng)度是十分有利的。但是一般混合法制備的復(fù)合材料中就容易出現(xiàn)偏聚增強(qiáng)體顆粒的情況。對(duì)于熱處理工藝來(lái)說(shuō)，比如：淬火，就可以加強(qiáng)復(fù)合材料。淬火強(qiáng)化作用通常體現(xiàn)在兩點(diǎn)，一方面是因?yàn)榇慊甬a(chǎn)生的熱錯(cuò)配應(yīng)力而造成的強(qiáng)化，另一方面是顆粒抵抗基體塑性流動(dòng)產(chǎn)生的背應(yīng)力而造成的強(qiáng)化。模擬與研究結(jié)果顯示，冷卻速度越大，復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒越均勻分布，兩者有緊密的關(guān)聯(lián)。同時(shí)，時(shí)效也可以顯著加強(qiáng)復(fù)合作用。除此之外，復(fù)合材料強(qiáng)度還有可能受到二次加工影響。比如：熱擠壓可以使復(fù)合材料有更高的強(qiáng)度，由于復(fù)合材料通過(guò)進(jìn)行熱擠壓，顆粒分布非常均勻，位錯(cuò)密度也更高，消除許多鑄造缺陷。然而如果擠壓溫度偏高，擠壓件表面很有可能出現(xiàn)橫向裂縫;如果擠壓溫度偏低，顆粒分布均勻情況一般，與高溫下擠壓有很大的差距。

2 金屬基復(fù)合材料在五金制造行業(yè)中的應(yīng)用

相比較樹(shù)脂基復(fù)合材料而言，金屬基復(fù)合材料具有諸多特點(diǎn)，比如：高強(qiáng)度、高彈性模量、橫向力學(xué)性能強(qiáng)、高層間剪切強(qiáng)度、耐熱性能強(qiáng)、尺寸相對(duì)穩(wěn)定、熱傳遞性能優(yōu)良以及不會(huì)放出氣體對(duì)環(huán)境造成污染等等[5]。因此金屬基復(fù)合材料非常適合在綜合性能要求均衡的消費(fèi)產(chǎn)品中進(jìn)行應(yīng)用，尤其在以民用消費(fèi)品為主的五金制造行業(yè)可以得到廣泛應(yīng)用。有研究人員利用Fe-Al基復(fù)合材料制成適用電磁爐使用的鍋具，F(xiàn)e基層材料具有磁通感應(yīng)加熱特性，電熱轉(zhuǎn)化率高，但受熱不均勻，通過(guò)復(fù)合Al基層材料的優(yōu)良熱導(dǎo)性能，將熱量均勻傳遞加熱食物，改善了單層鋼制鍋具易燒焦食物的弊病，現(xiàn)已應(yīng)用于電磁爐鍋具、IH電飯煲內(nèi)鍋等產(chǎn)品中。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中合理利用金屬基復(fù)合材料的特性，可以有效的提升產(chǎn)品性能及質(zhì)量，滿(mǎn)足廣大用戶(hù)的實(shí)際需求。

結(jié)語(yǔ)：

總而言之，金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度除了受到以上因素影響，還會(huì)受到其它因素影響，主要包括溫度以及環(huán)境等等。怎樣對(duì)有利因素充分利用，將一些不利因素去除，以加強(qiáng)金屬基復(fù)合材料性能是需要深層次探究的問(wèn)題?；w合金化和改變?cè)鰪?qiáng)體以及基體的相容性，是非常有效的方法，而且是必須要全面探究的核心內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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