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金屬基復合材料范文1
1在機械制造專業上應用復合結構材料
與傳統材料相比金屬復合材料具有明顯的優勢。由金屬復合材料質量輕于傳統的鋼鐵材料，其抗性也略勝一籌。另外，金屬復合材料的性能也更適用于機械制造?，F階段金屬復合材料相對而言使用性能更高，現今階段常見的金屬復合材料大體分為以下四種。
1.1不銹鋼復合鋼板
由合金元素組成的不銹鋼板決定了不銹鋼板的性能差異。這些元素促成了不銹鋼板在金屬材料中擁有最強的耐化學腐蝕和電化學腐蝕性，有利于保障不同材質材料的原子結合率達到百分之百。同時其導熱性能較好，適用于焦化設備。有利于降低運營成本提高機械使用壽命[2]。
1.2金屬粒塑料復合結構材料
金屬粒塑料復合結構材料能夠有效改善傳統金屬缺少的導電和導熱性，可以很大程度的降低線膨脹系數,其質量小、強度大等優勢在機械設備制造中得到了很好的應用。
1.3碳纖維石墨纖維復合結構材料
這種復合結構材料的勁度、強度與重量比、比剛度較高，性和耐磨損性良好，線膨脹系數小、耐摩擦性能高，同時由于耐熱性和耐腐蝕性良好的特性被廣泛于高新機械制造技術之中。
1.4彌散強化復合結構材料
彌散強化復合結構材料有利于提升機械設備的耐熱性和強度值。彌散強化復合結構材料廣泛適用于耐熱性良好的機械制造中[3]。
2復合材料在沖壓模具制造上的應用
由于工作條件的差異，沖壓模具對材料的要求也各有不同。這些模具材料大致可以分為沖裁模材料、冷擠壓模材料、拉深模材料這三種材料的要求[4]。而在模具制造中對原材料的需求較高，必須要達到能夠承受沖擊、振動、拉伸、摩擦拉伸等巨大負荷的要求，能夠保障在高溫材料下工作。目前大多以鋼材為制造沖壓模具的主要制作材料，而碳素工具鋼由于其性價比高，加工塑形難度小，在模具的機械制造中被廣泛應用。但由于其承載能力低，對于硬度大塑性低的機械零部件制造難以適用。而金屬復合材料的性能好可以有效避免零部件在工作過程中受到的強烈的磨擦和沖擊。
3復合材料在機械制造上的應用
研究金屬基復合材料是當代新材料技術領域中的重要內容之一。金屬復合材料本身具有許多優良特性，但同時也存在著一些限制因素。不論其在航天航空領域的應用還是從當今一些小的應用范圍來看，相比于普通的材料的突出優點還是在于低熱膨脹系數和高疲勞極限。在機械制造的過程中想要確定原材料需要根據機械零部件的工作環境和要求來進行選擇，既要避免零件在工作過程中失效的問題，又要保障延長機械的使用壽命。與傳統的材料相比，金屬材料的綜合力學性更好，同時還具有導電、導熱、耐磨、阻尼性好等特點。而且其膨脹系數幾乎為零?，F階段金屬復合材料性能的優越性和應用范圍的廣泛性優勢日益突出。同時由于復合材料的可塑性強、結構功能一體化、抗疲勞斷裂性能好等優越性能，在機械制造過程中逐步成為其他傳統金屬材料無法替代的功能和結構材料，更是促進現代機械制造業發展的重要基礎。金屬復合材料應用于現代化的機械設備中有利于合理的整合資源，響應國家節能減排的政策方針。金屬復合材料由于其容易造型、重量輕、等優勢相對而言更便于推廣，方便使用和制造，其優良性能可適應機械制造工作中的惡劣環境，并有較高的抗腐蝕的作用，其在機械制造中的使用和推廣深受喜愛。金屬復合材料由于其造價低，已維修的特質。可有效避免機械零部件的磨損報廢率，有利于帶動新興工業的發展，形成新的經濟增長點。
4結語
從長遠的角度看，金屬復合材料在這些行業的應用不僅可以提高生產的系數，更可以降低成本，贏得更多的經濟效益。金屬復合材料由于其質量小、強度大彈性良好、抗化學腐蝕等優勢，現已經廣泛應用于機械制造領域當中。近年來我國機械制造方面針對新型金屬復合材料性能的研究和運用獲得了巨大的進步，金屬復合材料在機械制造工業當中的運用比例也逐漸加強。在大多數大型企業的設備都開始應用金屬復合材料，會使很多的輕工業從中受益，在與日俱增的激烈競爭中取得更穩定的立足之地。
參考文獻
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金屬基復合材料范文2
關鍵詞：接頭 力學性能 金屬連接 碳纖維復合材料
中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0080-01
碳纖維復合材料，是指將石墨纖維或碳纖維作為增強相，將化學沉積碳或石墨化、碳化硅的樹脂作為基體的一種復合性材料。此類材料具有溫度升高慢、散熱快、線膨脹系數低、抗燒蝕、尺寸穩定、抗腐蝕、質量輕、耐高溫等優點，所以在機械制造、航空工業、核工業等領域中得到了廣泛應用。碳纖維復合材料是一種非金屬材料，要對其進行釬焊，難度較大，通常會采用沉積、燒結、鍍敷等方法，將金屬粉末處理在碳纖維復合材料的表面，再行常規釬焊。另外，也可以采用活性金屬法進行釬焊。由于碳纖維復合材料的工藝復雜、制備周期長，應用范圍局限性較大，其與金屬連接工藝也基本上只在一些科研單位中有應用，所以關于碳纖維復合材料與金屬連接的文獻報道較少。該文將對碳纖維復合材料與幾種常見金屬的連接方法及接頭力學性能測試進行研究。
1 碳纖維復合材料與金屬的連接
1.1 與銅的連接
碳纖維復合材料（CFRP）在與銅連接后，其結構的導熱性能良好，同時結構質量比銅更輕，另外，由于銅與CFRP的導熱系數較為接近，所以在使用及釬焊時不易產生較大熱應力。銅與CFRP的連接主要采用釬焊方式，最早的釬料選用Cu-Pb（質量分數為50%），在釬焊冷卻后即可使銅、復合材料、釬料形成連接界面，但該連接界面的強度較低。隨著工業技術的不斷發展，發現過渡元素Zr、Ti等的化學活性較強，在液態條件下可與C發生反應，所以在傳統釬料中添加一定量的活性元素，就可使復合材料表面變濕潤，從而降低與金屬連接的難度。該方法通常在高純度惰性氣體或真空爐環境下實施，一般釬焊連接可一次性完成。
Ag-Cu-Ti是常用的活性釬料，釬焊通常在真空條件下進行，T值取820 ℃，通過釬焊所獲得的接頭強度較高，但其在核輻射環境中，Ag可發生化學反應，變為Cd，降低接頭強度，所以此類接頭無法在核聚變裝置中使用。釬料選用Ti，進行復合材料與銅的連接，在真空下進行共晶擴散，焊接參數t為300 s，T為1000 ℃，并對試樣施加一定壓力，所獲得的接頭則可有效避免上述問題。同時，若能使用Cu-Ti膏對復合材料表面進行預涂，所獲得的接頭強度最高。
1.2 與鋁合金的連接
與鋁合金相比，銅基、銀基等活性釬料的熔點更高，所以高溫釬焊法不適用于鋁合金與CFRP的連接。據國外文獻報道，對7075-T62鋁合金和CFRP分別使用螺栓連接、膠結、螺栓+膠結3種方法進行連接，結果顯示：選用FM73粘結劑時，粘結劑強度會在很大程度上決定接頭強度；選用EA9394S粘結劑時，起決定性作用的是螺栓接頭強度。一般情況下，在膠結強度低于螺栓連接強度時，混合連接的強度將比螺栓連接強度更大；若膠結強度高于螺栓連接強度，則混合連接強度將比螺栓連接強度更小。
在將2024-T3鋁合金與CFRP做雙缺口對接時，在高溫條件下使用環氧樹脂進行粘結，然后固化24 h（室溫），分別在250 ℃、室溫條件下對此接頭做雙面剪切試驗，發現室溫條件下，接頭的抗剪切強度為20 MPa，斷裂發生在復合材料上；250 ℃條件下，抗剪切強度僅為3.5 MPa，斷裂發生在接頭部位。熱循環試驗顯示，熱應力使接口抗剪切強度大為降低，在試驗中甚至會出現接頭自然斷開。
2 接頭力學性能測試
一般來說金屬與CFRP的接頭所處的工作條件都較為惡劣，人們出于安全性、可靠性考慮，會在應用前，對接頭做必要的力學性能測試。
2.1 沖擊熱應力
在工作環境中，金屬與CFRP的連接結構可能發生急劇冷卻或加熱，此時結構內部的溫差較大，產生極強的沖擊熱應力。通過衡量接頭的熱沖擊斷裂強度（）和抗熱沖擊性（Δ），可模型化加熱區域。斷裂強度及抗熱沖擊性計算遵循熱傳導公式：
Δ=
=
上式中，KIC：斷裂韌性值；α：熱膨脹系數；E：楊氏模量；k：熱導率；σt：抗拉強度；S*：無量綱熱應力；β：電弧放電熱有效應因子；FIe：試樣頂部裂縫釋放應力的影響因子（無量綱數）；c：試樣邊緣裂縫長度；a：試樣加熱區域半徑；h：試樣厚度；R：試樣半徑。電弧放電時間設定為0.7 s。
2.2 抗拉強度
結構力學性能的一個重要參數就是抗拉強度，其是指拉斷材料前的最大應力值。若母片都為薄片，可將CFRP兩面與金屬基板搭接，載荷與接頭截面相垂直。復合材料基本與金屬管連接時，將1根鋼板貫穿金屬管，鋼棒與金屬管緊密抵觸，與荷載傳感器相連接，施加荷載的十字滑塊速度為1 mm/min。
2.3 熱循環
對接頭進行熱循環試驗的目的，是為了評價其抗熱疲勞性能。比如對2021-T3鋁合金與CFRP膠結接頭進行熱循環試驗后，結果顯示溫度范圍在50～250 ℃，熱循環共包括以下幾個階段：50 ℃維持30 s；在120 s后升溫至250 ℃；250 ℃維持60 s；在120 s后降溫至50 ℃；50 ℃維持30 s。
試驗標準中對試樣尺寸、形狀的規定，知識針對某類試驗的要求，關于接頭的力學性能測試方法，應根據材料使用要求來選擇。比如套管對接結構中，為使接頭滿足工程需要，還應對其做液壓強度、氣密強度等性能測試。
參考文獻
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金屬基復合材料范文3
關鍵詞：纖維增強聚合物；抗彎構件；施工工藝
中圖分類號：U215.14 文獻標識碼：A 文章編號：
1、FRP復合材料的研究與發展
20世紀40年代，FRP復合材料主要應用于航天航空領域。20世紀70年代，FRP開始應用于土木工程領域。美國、英國和以色列最先應用這種新型材料作為建筑結構和橋梁結構中的主要構件，當時大多數采用玻璃鋼。[1]我國是在1997年開始對纖維片材加固混凝土結構進行研究的，由于其優良的力學性能和經濟有效的加固效果，從而科研機構和高等院校都開展了FRP加固性能的研究。
2、FRP復合材料
FRP復合材料（Fiber Reinforced Plastic/Polymer，FRP）是一種新型高級復合材料，在土木建筑工程結構加固中采用新型高級的FRP比采用鋼板或其他傳統加固方法具有非常明顯的優勢。 [2]
應用于結構加固與修復的增強纖維主要包括碳纖維增強聚合物（CFRP），芳綸纖維增強聚合物（GFRP）、玻璃纖維增強聚合物（GFRP）,他們都具有耐腐蝕、輕質、高強施工方便、抗疲勞的等顯著優點，是解決混凝土結構腐蝕，加固問題的最有應用價值和前景的現代復合材料。[3]
2.1 FRP筋
FRP筋是將多股連續纖維以環氧樹脂等作為基底材料進行咬合，此后經過特制的模具擠壓、拉拔成型。
2.2 FRP片材
在FRP復合材料中，片材應用最為廣泛。布狀材料是纖維由單向或雙向編織而成的一種片材，使用前不浸潤樹脂，在施工過程中再給予浸潤；板材是指在使用前浸潤樹脂、使其固化成板狀的一種FRP片材，施工時再用樹脂將其粘貼于結構表面。
2.3 FRP型材
FRP型材包括拉擠成型、纏繞成型和旋轉成型等方法。目前使用最多的是拉擠成型，纏繞成型也有使用。從材料角度看，以GFRP型材最多，這是由于GFRP型材價格便宜。最近幾年也有AFRP、CFRP型材的生產和應用。
3、FRP加固混凝土錨固技術
此技術適用于FRP筋，預應力FRP片材進行加固混凝土結構。
4.1 FRP筋錨具
FRP筋具有高抗拉強度，特別適合作預應力筋，但由于其抗剪強度低，錨固形式一直是國內外研究的難點。目前開發的錨具有以下三種：
（1）機械夾持式錨具。機械夾持式錨具主要是靠錨具與FRP筋間摩擦力和咬合力產生的均勻表面剪力來實現錨固的。
（2）粘結型錨具。粘結型錨具就是通過界面間的膠結力、摩擦力以及表面凸凹產生的機械咬合力來傳遞剪力的。
4.2 FRP片材錨具
FRP片材錨具FRP布的錨具主要包括以下3種類型錨具。
（1）平板式。先用環氧樹脂將片材兩端粘貼在平板式錨具上，待樹脂完全固化后進行張拉，然后，再將片材通過環氧樹脂粘貼到加固構件上，使其通過粘結力與加固構件共同工作。它具有構造簡單、現場施工方便、可施加高水平預應力等優點，是目前工程應用最廣泛的FRP片材錨具。
（2）圓桿、橢圓式和波浪型壓板式。其優點是纖維布為機械式固定，不需要在加固操作前預先粘貼纖維布；缺點是施加的預應力水平較低。
5、FRP加固混凝土結構工藝
隨著FRP加固方法研究的深入，研究人員對FRP與混凝土構件的不同連接方法進行了大量研究。
5.1 抗彎加固工藝
對于混凝土受彎構件的FRP加固方法，目前研究、應用最為廣泛是FRP外貼補強加固方法(EB．RP法)。[4]該方法通過樹脂類粘結材料將FRP片材粘貼于混凝土表面，通過膠接作用使FRP片材與混凝土受彎構件共同工作，其加固形式如圖5所示，包括：干鋪體系、濕鋪體系、 預浸漬體系及預處理體系。
NSM—FRP法是近年來開發的一種新FRP加固方法，該方法要求在構件的混凝土保護層內預先開槽，將FRP筋或FRP板條用環氧樹脂嵌入其中，灌人樹脂填平凹槽以加固混凝土構件。
5.2 混凝土柱加固工藝
FRP的一個重要應用是加固混凝士柱，使得核心混凝土處于三向受壓狀態，從而提高其抗壓強度和變形能力。[5]
（1）濕包法，它是在現場用粘結樹脂浸漬纖維片材粘貼于柱的表面，或把纖維布 （套筒）纏繞于柱的表面，形成約束混凝土，達到纖維增強的目的。
（2）應用預制纖維板材，現場粘結于結構表面。纖維板材是預先浸漬樹脂后在高溫高壓的模具內反應固化，并連續拉擠成形。
（3）預浸漬（半固化）纖維材料的應用，一般在較高的溫度下養護，纖維束和纖維條帶可用機器自動纏繞。
（4）樹脂浸入法，首先把干的纖維織物纏繞在結構上，然后真空注入粘結樹脂，室溫養護。
5、結論與展望
混凝土結構加固技術總是與加固所用材料密切相關的。FRP復合材料所具有的輕質、高強和耐腐蝕等優點，是其具有發展前景的基本條件，它在混凝土加固領域具有廣闊的發展前景。本文認為今后它在加固領域中的主要應用和研究方向為：
（1）宜采用FRP復合材料與高強混凝土組合結構，以便充分發揮兩種材料的優點，降低成本，減輕自重，提高跨越能力。
（2）FRP板加固混凝土結構抗彎承載力的理論建模及提高限值的研究以及抗剪承載力的機械錨固措施研究；[6]
（3）FRP預應力加固技術，所需費用不高，效果可觀，具有推廣應用潛能。
參考文獻
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金屬基復合材料范文4
關鍵詞 碳納米管/銅基復合材料；制備工藝；顯微組織
中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）13-0050-02
將增強纖維、顆粒等與銅制備成銅基復合材料，可以提高其強度、耐磨性以及保持較優良的導電導熱性能。SiC作為一種陶瓷顆粒，具有彈性模量高及抗氧化性能好等優良性能。由于金屬具有優良的力學機械性能，使得金屬基復合材料可以按機械零件的結構和性能要求，設計成合理組織和性能分布，從而工程技術人員對材料的性能進行最佳設計。由于能夠根據不同的力學性能要求來選擇相應的金屬基體和不同的增強體，使得復合材料中的各組成材料之間既能保持各自的最佳性能特點，又可以進行性能上的相互補充，功能上的取長補短，甚至滿足一定的特殊性能，所以納米復合材料是一類具有結構和功能極佳的材料。另外，納米復合材料由于具有特有的的納米表面效應、特有的納米量子尺寸效應，能夠對其光學特性產生影響。按照復合材料基體的性能特點特，人們將納米復合材料通常分三大類：納米樹脂基復合材料、納米陶瓷基復合材料和納米金屬基復合材料。納米金屬基復合材料不僅具有強度高、韌性高的特點，納米金屬基復合材料還具有耐高溫、高耐磨及高的熱穩定性等性能。納米金屬基復合材料應用表明：在功能方面具有高比電阻性能、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，通過真空熱壓法工藝，制備出碳納米管增強銅基復合材料，研究銅基納米復合材料的制備工藝，分析相應的材料性能。
1 試驗材料及方法
1.1 試驗材料
試驗用原材料是上海九凌冶煉有限公司生產的電解銅粉，銅粉純度是99.8%，銅粉粒度為-300目，銅粉松裝密度是1.2～1.7。碳納米管（CNTs）選用深圳納米港有限公司產品。選用哈爾濱化工化學試劑廠的十二烷基硫酸鈉（化學純），以及該廠生產的酒精（分析純）。
1.2 試驗方法
試驗采用行星式球磨機進行濕磨混合配料，選擇的球磨機轉速參數為300 r/min，球磨時間為2.5小時，試驗球料比選擇為1：1。試驗的熱壓溫度參數選擇在800℃進行燒結，熱壓壓力參數為3.9噸，燒結時間參數為3小時。使用光學顯微鏡分析復合材料的顯微組織特點，用新鮮配制的三氯化鐵鹽酸酒精溶液腐蝕復合材料組織，腐蝕時間選為15 s。
2 試驗結果與分析
2.1 碳納米管/銅基復合材料顯微組織
2.2 CNTs/Cu復合材料的硬度
2.3 CNTs添加量對復合材料相對密度的影響
試驗結果表明，純銅試樣致密度最高，但是，隨著碳納米管含量的增加，納米復合材料的相對密度下降。復合材料材料相對密度隨著碳納米管含量的增加而逐漸降低，原因主要是碳納米管和銅的潤濕性較差，致使強化相CNTs不能均勻分布，引起復合材料的缺陷，材料中產生孔隙，呈現出相對密度的下降的特點。
3 結論
1）采用球磨混料方法，真空熱壓法工藝，制備出碳納米管增強銅基復合材料。
2）隨著CNTs的增加，復合材料的硬度呈現降低的趨勢，CNTs含量與硬度之間關系為曲線關系。
3）純銅試樣致相對密度最高，隨著碳納米管含量的增加，復合材料的相對密度下降。
參考文獻
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金屬基復合材料范文5
關鍵詞：面向環境；汽車輕量化；節約能源
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.259
1 前言
我國是世界上汽車擁有量和汽車消費量最大國，汽車工業是我國的支柱產業之一。汽車燃油消耗量越大，廢氣排放量越多。隨著可持續發展理念的深入人心，充分考慮汽車選材、生產、加工等環節對節省資源、能源、保護環境的要求，從而提高汽車使用中對資源及能源的利用效率，降低成本，提高質量，增大可靠性，延長設備使用壽命?，F代汽車選用材料除滿足力學性能和使用壽命的基本要求外，還應滿足比強度、比模量、價格、外觀、環保、安全、節能等需要。汽車選用材料種類繁多，包括鋼鐵、鋁合金、樹脂。汽車選用材料中的表面處理鋼板、高強度鋼板逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，非金屬材料也逐步增長，高性能復合材料和工程塑料品種繁多，有的替代了普通塑料，有的在汽車上的應用范圍廣泛。汽車輕量化材料的選擇可以降低整車的重量，并為汽車的性能服務，如降噪音、消震動、合理氣流、減重量和降低成本等。因此，應用和研制輕型汽車材料，提高汽車發動機功效，減少油耗及廢氣排放，減輕整車重量，提高整車性能，保障其安全性、可靠性是世界汽車發展中面臨的挑戰。
2 復合材料在汽車量化技術中的應用
汽車量化技術中應用的復合材料主要有金屬基復合材料和聚合物基復合材料。復合材料的各組分之間的協同作用，使其能夠取長補短，獲得基體材料和增強材料所沒有的新性能。汽車用復合材料不僅可進行各組分之間選擇材料設計，還可以根據結構特點進行復合結構設計，通過改變增強體的比例進行設計。大部分金屬基復合材料的增強材料具有密度小，剛度大，強度高等性能特點；金屬基復合材料的基體材料具有成形性能好的特點。目前，金屬基復合材料已逐步取代部分金屬合金，廣泛應用于汽車發動機活塞、連桿、軸瓦、電器原件、保險杠等。滿足汽車發動機向高負荷、高速、增壓方向發展要求，從而減輕汽車自重，節約材料，節約燃油，減少廢氣排放，保護環境。聚合物基復合材料的具有較大的比強度、比模量大是其最突出的特點。玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料有較高的比模量、比強度；碳纖維、有機纖維、硼纖維增強聚合物基復合材料的比強度相當于鈦合金的3-5倍，比模量相當于金屬材料的4倍之多。聚合物基復合材料還具有耐疲勞性能好的特點，復合材料纖維與基體的界面能有效阻止內部裂紋的擴展，使其疲勞破壞從纖維的薄弱環節開始進行，然后逐漸擴展到結合面上，破壞前有明顯的預兆。聚合物基復合材料還具有很好的加工工藝性，可采用手糊成型、注射成型、模壓成型、拉擠成型、纏繞成型等各種方法制成各種形狀的復合材料產品。同時聚合物基復合材料具有多種功能性，例如耐燒燭性好，具有較高的比熱、熔融熱和氣化熱的材料，可以有效吸收高溫燒蝕時的大量熱能；具有有良好的摩阻特性及減摩特性；具有高度的電絕緣性能、優良的耐腐蝕性能、特殊的光學、電學、磁學的特性。目前聚合物基復合材料廣泛應用于汽車燃油管、汽車散熱器水箱部件、底盤、發動機等零部件，可以有效的減輕汽車自重，提高發動機效率。特別是碳纖維增強尼龍復合材料應用于汽車工業中，作為發動機內部零件，使用增強及自的高性能復合材料上進展很快。碳（石墨）纖維增強聚合物復合材料用于制造發動機零件汽車車身等，可有效提高汽車性能，降低汽車自重，是汽車輕量化的重要發展方向之一。
3 輕有色金屬及其合金在汽車量化技術中的應用
有色金屬及其合金具有密度小、加工工藝性能好、耐腐蝕性能好等優點。鋁合金擠壓型材應用于無骨架式車體結構和空間框架車體結構，使得車身外板具有各種復雜斷面形狀和中空狀型材，具有比重小，比強度大，制造成本低的優點。用中空鋁型材作車身結構和保險杠與鋼材件具有同等的抗沖擊強度，車身重能大大減輕，當汽車發生意外時，還能吸收沖擊能，保護乘客安全。擠壓型材料用于保險杠，可比鋼板焊接保險杠大幅度減少重量。鋁合金通常用來制作覆蓋件、保險杠、車輪、空調系統、窗框、保險杠、座椅、換熱器擾流板等。鎂合金比鋁合金輕，其比強度及比剛度高，減振性能優良，彈性模量較低，具有優良的切削加工性能及鑄造性能。鎂合金以其優良的可回收性、導熱性，被譽為綠色工程材料，有人稱其為21世紀的時代金屬。鎂合金代替鋼鐵，使設備重量大大減輕。鎂合金替代鋼鐵降低整車自重正在普及中，汽車殼體、車身件、骨架等零部件的輕量化已經實施，福特汽車每輛車鎂合金用量逐年增加；許多汽車已在汽缸罩蓋、轉向盤骨架、踏板等零件上采用了鎂合金，汽車工業正在汽車身件、鑄造殼體等零部件上推廣鎂合金材料，近幾年每輛車使用有色金屬材料還在增加。目前，在汽車上儀表盤底座、發動機閥蓋、座位框架、變速箱殼、方向盤軸等部件鎂合金的使用普及率最高，為汽車汽車輕量化做出了貢獻。
4 鑄鐵零件的薄壁化技術在汽車量化技術中的應用
汽車工業生產中需要大量的鑄鐵零件，汽車工業已成為我國國民經濟的第五大支柱產業。汽車鑄鐵零件薄壁化、輕量化、強韌化是為了滿足汽車工業對鑄鐵零件能源消耗、資源少，循環再生利用率高的要求，適應建設環境友好型、資源節約型社會的需要。對汽車工業而言，降低整車自重對節能、減少廢氣排放有關鍵性的意義。鑄件的薄壁高強化技術應用也將日益成熟并將迅速拓展，將來3-5mm的高強薄膜球鐵件將會大量出現在汽車鑄鐵零件中。
參考文獻：
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金屬基復合材料范文6
關鍵詞:鈦合金;復合材料;釬焊;顯微組織;力學性能
中圖分類號:TB331 文獻標志碼:A 文章編號:1009-6264(2016)01-0061-05
在航空航天領域中，長期以來機載偵察及導彈導引所必需的光電平臺以鋁合金、鈦合金和鈦/鋁復合構件作為其主要結構材料，其中鋁合金具有較高的熱膨脹系數，所以導致光電平臺結構抗熱載荷作用的能力很差，進而直接影響系統的測量精度、視軸穩定和圖像清晰度等關鍵技術指標，因此降低平臺結構材料的熱膨脹系數勢在必行［1-2］。高體積分數(≥55%)碳化硅顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/AlMMCs)的熱膨脹系數可以比鋁合金低60%，其比模量比鋁合金高出近2倍，同時還使鋁合金構件的平均諧振頻率提高約60%～70%［3-5］。如果采用高體分SiCp/Al復合材料代替鈦/鋁復合構件中鋁合金，那么構件的剛度和疲勞強度等將會得到很大的提高，并且復合構件中的焊接應力也將會下降［6-8］。由于高體分SiCp/Al復合材料制備工藝的特點，其內部總存在一定的空隙率，高體分SiCp/Al復合材料中增強相與基體之間的物理、化學性能差異很大。還有高體分SiCp/Al復合材料與鈦合金在物理化學性質和力學性能方面存在著巨大差異，這些特殊性給其連接帶來很大的困難［9-12］。到目前為止，尚未查到國內外關于高體分SiCp/Al復合材料與鈦合金連接的報道。本文使用了一種操作方便的非真空超聲輔助釬焊方法，利用Zn-Al釬料釬焊TC4鈦合金和高體分SiCp/Al復合材料，解決了釬料同時與金屬和復合材料同時潤濕結合的問題，并對接頭的組織結構和接頭的剪切強度進行了分析。
1試驗材料及方法
鈦合金基體材料為TC4，其成分(質量分數)為: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。復合材料是采用無壓滲透法制備的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，其SiC顆粒的體積分數約為55%，由平均尺寸為～10μm及～50μm的兩種顆?；旌隙?。復合材料的基體為ZL101鋁合金，是Al-Si-Mg系合金，可熱處理強化，強度較高，塑性較好，其基體合金的化學成分(質量分數，%)為Al-(6.5～7.5)Si-0.3Mg-(0.08～0.20)Ti。復合材料無壓浸滲工藝流程如下:首先，將適宜品質及兩種粒徑(～10μm和～50μm)的SiC顆粒進行混合，將其裝入耐高溫模具中并將其堆積密度精確控制在55%～57%內。然后采用氮氣保護，加熱到800℃保溫數小時。即可實現SiC顆粒密堆積體與熔鋁之間的高質量的無壓浸滲復合，從而獲得完整、致密的復合材料坯錠。兩種材料都被加工成50mm×10mm×8mm。試驗所采用的釬料為Zn-4Al-3Cu-1Si釬料，其熔點為380～399℃，抗拉強度為250～300MPa。試驗采用超聲輔助釬焊，其工藝是首先在690～900℃范圍內，讓鈦合金浸入液態純鋁5min后取出處理表面至平整。然后將鈦合金與復合材料搭接在一起(搭接長度為20mm)裝入夾具，放在焊接平臺上，釬料放置在兩種材料焊接面中間，升高溫度達到420℃至釬料熔化后，施加超聲振動5s，再保溫4min完成焊接。其中超聲頭產生頻率為20kHz，超聲波振幅為10μm。采用日本日立公司生產的S-4700線性掃描電子顯微鏡(SEM)對釬焊接頭微觀組織觀察，用所配置的能譜分析儀(EDS)對接頭中各位置的成分進行測定。焊接接頭在電子萬能試驗機(Instronmodel1186)上進行剪切試驗，測試速度為0.5mm/min。剪切試樣搭接尺寸為10mm×10mm×16mm，為了確保接頭的剪切強度的準確性，同一工藝至少選用3個焊接試樣進行試驗。
2結果與討論
2.1釬焊接頭顯微組織
圖1所示為鈦合金/復合材料釬焊接頭的顯微照片。通過對接頭的顯微組織觀察可發現，在釬縫中沒有觀察到夾雜、縮孔、氣孔等缺陷。復合材料的表面變得凹凸不平，表明釬料對復合材料基體產生了溶解(見圖1a)。另外還觀察到鈦合金與復合材料母材表面氧化膜去除徹底，釬縫與兩種母材結合界面良好，鈦合金與復合材料兩種母材與釬料之間達到了良好的冶金結合。進一步放大釬縫組織發現，SiC顆粒與釬料合金界面結合緊密，沒有因顆粒未潤濕而形成的孔洞缺陷(見圖1b)。SiC顆粒均保持原始形狀與尺寸，沒有觀察到由于界面反應而導致的顆粒溶解現象。這主要是因為焊接的溫度為420℃，SiC顆粒與Zn、Al等金屬之間沒有發生化學反應，形成界面金屬間化合物。同時可以在釬縫中觀察到許多尺寸在10μm以內的顆粒，推測應是復合材料中小尺寸的SiC顆粒遷移到釬縫中。說明Zn-Al釬料中的Zn元素向復合材料中進行了擴散，并與復合材料基體中的Al元素形成Zn-Al固溶體。根據Zn-Al二元相圖，這種固溶體的熔點低于400℃，在焊接溫度時呈液態，可以自由流動。此時釬料中原有的富Al相及SiC顆粒與Zn-Al固溶體共同形成了微小的部分熔化區，SiC顆粒隨著熔化區一起進行了流動，導致SiC顆粒脫離了復合材料基體。由于小尺寸的SiC顆粒比大尺寸SiC顆粒更易于運動，所以在釬縫中觀察到了大量的小尺寸SiC顆粒。圖2所示為鈦合金/復合材料釬焊接頭的掃描電鏡照片。從照片可以觀察到整個釬焊接頭由3部分構成:復合材料、釬縫和鈦合金。其中A區所示組織成分主要由70.65%的Zn和26.65%的Al所構成，B區所示組織呈現細小的條紋組織，包含Zn、Al和Cu3種元素，其中Al元素的質量分數約8%(見表1)。結合Zn-Al合金二元相圖可知，可以確定該釬縫中A區應為α-Al(即富Al相)，B區應為典型的共晶相，由Zn-Al二元共晶相及Zn-Al-Cu三元共晶相混和而成。由于在整個釬縫的形成過程中先結晶的α-Al生長的比較充分，尺寸約為30～70μm，其組織都呈大塊狀，分布于細小而連續的共晶組織中。在釬縫的顯微組織中有少量尺寸約10μm的SiC增強相顆粒，這些顆粒以單獨的形式分布于大塊狀α-Al之間。在釬焊接頭中的鈦合金側Zn-Al釬料與鈦合金直接接觸并也完全潤濕。由于焊接前鈦合金進行了浸鋁處理，因此在焊接時鈦合金表面應該有浸鋁層的存在。但從圖2(a)中并未觀察到浸鋁層的存在，所以可以推測浸鋁層與Zn-Al釬料發生了相互溶解。這個溶解過程使浸鋁層中的鋁進入到釬縫中，并在釬縫中形成灰色的α-Al相。還可以觀察到鈦合金與釬料的界面有一層非常薄的黑色組織，其厚度在2μm左右，應為浸鋁或釬焊時反應生成的金屬間化合物(見圖2b)。通過對黑色薄層組織EDS分析發現，該組織主要由Ti和Al兩種元素所構成，如表1所示。Ti元素與Al元素的比值接近1比3，所以推測該化合物可能為TiAl3相。圖3所示為鈦合金/釬縫界面區域的線掃描結果。EDS線掃描曲線顯示了Ti，Al，Zn和Si在界面層及鈦合金、釬縫中的元素含量變化趨勢。其中Ti元素曲線在釬縫中下降為最小值，說明Ti元素幾乎沒有向釬縫中擴散。而Al元素曲線在界面層上出現一個峰值平臺，可以確定在此處應為成分穩定的金屬間化合物相。Zn元素曲線在界面處變化幅值很大，說明Zn元素擴散很少，沒有參與界面反應。Si元素的含量較小，說明Si元素也沒有參與界面反應。這從另一個方面也說明了界面層中，Ti元素和Al元素的比例近似保持恒定，為金屬間化合物。此外，V元素沒有呈現出明顯的擴散特征，所以可以確定該化合物一定為TiAl3相。由于釬焊前鈦合金進行了浸鋁處理，液態鋁合金相對鈦合金試樣，是大量的且充足的。在液態鋁合金充足的情況下，固態鈦與液態鋁之間進行的反應只能生成TiAl3相［8-9］，這與本試驗中觀察到的現象是一致的。另外TiAl3相的形成和長大分為兩種機制:界面反應控制和擴散控制。第一個階段為界面反應控制，在時間非常短的情況下，TiAl3只在平行于界面的方向上非均勻形核，形成一層金屬間化合物，如圖3所示;第二個階段為擴散控制，隨著保溫時間增長，金屬間化合物的厚度增加，TiAl3在垂直于界面的方向上通過擴散開始生長，并且金屬間化合物會開始變得松散，與鋁形成二相結構。本試驗中所觀察到的接頭中TiAl3相只有一個薄層，可以確定TiAl3相應為鈦合金浸鋁的界面反應控制階段所生成。
2.2釬焊接頭力學性能
本研究還對鈦合金/復合材料釬焊接頭進行了力學性能測試，測試方式采用壓剪施力形式，此時母材受到的是壓應力。在此釬焊條件下鈦合金/復合材料接頭的剪切強度為144～167MPa。圖4所示為釬焊接頭剪切后鈦合金側宏觀斷口形貌，從圖中可以看出剪切斷面主要有D區和F區兩種形貌所構成。其中E區為兩種形貌的過渡區，過渡區里存在部分斷面平整的SiC增強相顆粒，并且所有SiC增強相顆粒均與其周圍基體結合緊密，沒有發生脫粘現象。經EDS成分分析，G點斷口成分的質量分數為Zn∶Al=81∶9，與Zn-Al釬料的成分相近，如表2所示?？梢源_定E區中為復合材料基體到鈦合金側界面化合物的過渡區。經EDS成分分析可知F區的主要成分為Al、Ti和Zn3種元素，如表2所示。因為Zn元素只存在于釬料中，可知F區含有部分釬料。另外該斷口區域含Ti為24at%，Al為54at%，可以認為該斷口區域應為金屬間化合物TiAl3相?？梢宰C實剪切時斷裂主要發生在鈦合金表面金屬間化合物中。表明在加載過程中，由于反應層中金屬間化合物TiAl3既硬又脆而難于發生變形，在反應層內部產生較大的應力集中。在這種大應力集中的作用下，裂紋源首先會在脆硬的化合物內部萌生并很快地貫穿該化合物，形成脆性斷裂面。在金屬間化合物TiAl3的間隙中存在少量的釬料，當裂紋擴展到釬料處時，裂紋不再擴展，釬料發生塑性變形。此時，接頭的承載面積減小，導致接頭失效?？梢源_定，斷口中D區為復合材料基體，F區為金屬間化合物TiAl3相。經過上述分析說明鈦合金/復合材料釬焊接頭剪切斷裂部位圍繞著TiAl3層和復合材料母材界面區附近，屬于混合斷裂特征，其大部分斷裂發生在界面的化合物中，局部斷裂發生在復合材料區域。在本研究中采用Zn-Al釬料超聲輔助釬焊的方法，可以溶解復合材料中的鋁基體使得小尺寸的SiC陶瓷顆粒進入釬縫，提高了釬焊接頭的強度。同時溶解了鈦合金表面預浸的鋁合金，而實現了在較低溫度下鈦合金與鋁基復合材料的連接。當鈦合金和復合材料形成冶金連接后，釬焊接頭的斷裂主要發生在鈦側界面金屬間化合物層中。
3結論
1)在420℃施加超聲振動5s，保溫4min下，利用Zn-Al釬料可實現鈦合金和SiCp/Al復合材料的超聲輔助釬焊，并得到成形良好連接接頭;2)鈦合金和SiCp/Al復合材料接頭上復合材料側大量的小尺寸SiC顆粒會遷移到釬縫中，而鈦合金在浸鋁時會生成金屬間化合物TiAl3相，平均厚度為2μm左右。在釬焊過程中，浸鋁層溶解于釬縫，而TiAl3相不發生變化，保留到最后的釬焊接頭中;3)釬焊接頭的最高剪切強度可達到167MPa，其接頭斷裂于TiAl3層和復合材料母材界面區附近，且大部分貫穿金屬間化合物TiAl3層。
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