金属基复合材料的凝固.ppt

* * 在水平方向粒子所受离心力及其在离心力场中所受的“浮力”分别为： 式中mp 和mL 分别为粒子及粒子排开液体的质量。 由于金属液存在粘度，运动的第二相质点不可避免地受到移动阻力。假设质点为细小的球形粒子，可近似采用层流状态下的阻力公式： 在铸型预热较好，金属液冷速较慢的情况下，可以假定液体的粘度η不受温度及时间影响，为常数。 第55页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 根据牛顿第二定律, 粒子在水平方向上所受合力F 为： 式(9) 就是离心力场中粒子所处位置与运动时间的函数关系。 第56页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 对式(9) 进一步求导, 可得粒子在任一时刻的速度及加速度: 第57页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * （2）离心加速条件下金属液中第二相粒子相互作用分析 ① 粒子直径的影响 随粒子直径增大, 粒子移动距离急剧增大。 第58页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * ② 粒子密度的影响 在相同条件下密度较大的粒子其运动距离也较大。 第59页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * ③ 粒子初始位置的影响 径向上初始位置不同的两个粒子, 其间距也不是一常量, 而是随着时间的延长, 其间距逐渐增大。 设在径向一条直线上有两个粒子, 根据式(9) ,任意时刻两个粒子的间距为： 第60页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * ④ 离心力场中粒子的相互作用 在采用离心技术制备外加粒子强化梯度材料时, 初始状态粒子在金属液中是均匀分布的, 各粒子的初始位置不同。 如果粒子为同种粒子, 即密度相同, 则直径大的粒子运动速度快, 在一定时间内有可能赶上其前面的小粒子(见图7) 。 这样会导致两种结果, 一是大粒子与小粒子发生碰撞并带着小粒子一起向前运动, 最终引起粒子的聚集; 一是大小粒子发生碰撞后, 由于两粒子的重心不在径向一条直线上或由于系统振动等原因, 使小粒子发生旋转, 让出路径,以便大粒子通过,最终大粒子分布到试样的最外侧。 第61页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 第62页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 如果粒子为密度不同的混杂粒子, 但直径相同, 则处于后面的密度大的粒子也可以赶上前面密度小的粒子, 产生与不同直径粒子间相互作用相同的效果。 如果离心力场中金属液内粒子的直径和密度都不同, 情况更加复杂。在传输过程中, 既有因尺寸不同引起的追逐现象, 又有因密度不同引起的追逐现象。因此, 粒子间的碰撞是频繁的。 为减少粒子运动过程中的追逐、碰撞及由此引起的粒子聚集和不稳定流动现象, 采用尺寸一致的同种粒子是非常必要的。 第63页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 第三节 自生复合材料的凝固 自生复合材料是相对人工复合材料而言的，是一种自生的多相材料。 它的第二相（强化相）是在相变过程中析出的细纤维、细片或颗粒。 通常用共晶合金进行定向凝固，并合理控制工艺参数（主要是温度梯度和凝固速度），使凝固过程成为平面生长过程就可获得这种材料。 也可用亚共晶或过共晶成分的合金获得假共晶组织的复合材料。 第64页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 一、共晶自生复合材料 （一）对共晶系的要求 共晶合金制成的自生复合材料，其强度大大提高，更重要的是它具有优越的高温性能及抗疲劳性能，这是通常凝固条件下的共晶合金所不能比拟的。 并不是所有的共晶系都能满足自生复合材料的要求。 作为工程结构用复合材料，必须有高强度、高弹性相作为主要承载相，而基体应有良好的韧性以保证载荷的传递。 第65页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 共晶系应具备以下要求 共晶系中一相应为高强相。自合金中析出的高强相大都是金属间化合物，它在常温和高温下都有高的强度。 基体应具有较高的断裂韧性，以固溶体为宜。 在单向凝固时能获得定向排列的规则组织，即棒状或片状组织，这是共晶相本身特点和凝固条件所决定的。 非小平面—非小平面（金属—金属）共晶凝固时容易获得规则组织，而非小平面—小平面（金属—非金属）共晶欲获得规则的组织，凝固过程的控制更严格。 第66页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * （二）共晶自生复合材料相界的匹配 共晶合金组织根据凝固条件可分为规则共晶组织和非规则共晶组织。 共晶自生复合材料为规则组织。 要获得规则组织，首先必须选择合金系。 选择合金系时要特别考虑界面的性质。 界面的性质决定了一些共晶合金根本不能成为复合材料。 其次要正确控制凝固过程。 第67页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 第23页，共95页，编辑于2022年，星期六 * * 2、颗粒增强金属基复合材料的凝固 搅拌铸造法 第24页，共95页，编辑于20