第13卷第4期 汤文明,等:FA金属间化合物基复合材料的研究进展 图7所示,几种类型的颗粒增强FeAl基复合材料的 △T=0.8b/(2可/l(1-y 断裂韧性均随复合材料中颗粒含量的增大而降低。 /1(D,-d]In(ds/ro l1 这是因为增强相颗粒对裂纹尖端的塑性变形产生了式中G为剪切弹性摸量;ν为泊松比;d、为名义 抑制作用,使裂纹尖端塑性变形区的保护作用降平面颗粒直径;ro为位错线能量的内切半径 低。即使增强相是短纤维和晶须,也难以通过裂纹 在弥散强化复合材料中,基体承担着主要的载 与增强相的相互作用来显著提髙复合材料的韧荷,弥散颗粒通过阻碍位错移动来强化基体,弥散 性。SiC颗粒增强复合材料的断裂韧性大大低于颗粒的平均尺寸及相对量决定着复合材料的力学性 其他几种类型的复合材料,这是因为SC分解产生能。弥散强化复合材料的加工硬化机制主要是位错 的Si固溶于合金基体,在起到固溶强化效果的同绕过颗粒以及切过复合材料中的高密度位错区。 时,也造成基体的脆化。当增强相体积分数在5%Ashy例认为:弥散强化复合材料具有能稳定到高 15%时,FeAl基复合材料的断裂韧性仍然在很大温的加工硬化能力,反映出弥散颗粒有很高的钉扎 程度上受室温脆性的影响。Ti颗粒能有效抑制晶界位错的能力。弥散颗粒对复合材料高温 FeAl的环境脆性,因此在几种复合材料中TB2(≥0.57)蠕变抗力的影响表现在2个方面:1)弥 颗粒增强复合材料具有最高的断裂韧性。 散相起到了位错移动障碍物的作用;2)在形变过程 中弥散相产生了位错结构(如亚晶界),这种位错结 4.3纳米复合强韧化复合材料 构对蠕变过程中的位错移动产生影响 颗粒增强金属间化合物基复合材料在提高室温4.3.2纳米复合韧化 和高温强度的同时,并不能使塑性、韧性也得到提 Niha等研究表明,在纳米复合陶瓷材料 高,这不利于复合材料可靠性的提高。对机械合金中纳米粒子以2种形式存在:1)分布于基体晶界 化法合成的多种纳米金属间化合物进行压缩变形塑称为晶界型或晶间型;2)分布于基体晶粒内部,称 性测试证实,通过细化金属间化合物的粒径可以提为晶内型或内晶型。它们具有不尽相同的纳米复合 高其室温塑性。将纳米材料技术与复合强化技术韧化机制图15)。纳米复合材料强韧化概括起来首 相结合(纳米复合强韧化),研制新型的金属间化合先是由于纳米弥散相抑制了基体晶粒的生长和异常 物基纳米复合材料是解决金属间化合物2大性能缺长大,形成均匀的细晶粒显微结构,并减少晶粒缺 陷的有效途径。 陷的数量;其次,由于基体与弥散相之间的热膨胀 4.3.1纳米复合强化 系数失配,冷却期间在弥散相内或弥散相周围存在 Strude等6指出:细小颗粒(1-100m)对复局部高应力区,从而在复合材料中形成高密度位错 合材料的屈服强度影响最强;中等尺寸颗粒(0.1~区。纳米粒子钉扎或进入位错区,一方面在晶粒内 1凵m)对再结晶和晶粒长大有强烈的抑制作用,对形成亚晶界,造成基体晶粒再细化而起到増强作 高温蠕变抗力的影响比对低温屈服强度的影响更用;另一方面,在应力作用下,复合材料内部产生 大;粗颗粒(5~50ψ)易造成增强相基体变形相微裂纹,微裂纹的扩展将受到硬的陶瓷粒子的反 容性差以及在增强相颗粒邻近产生大的应力集中和射、阻碍或在亚晶界处产生裂纹分叉而消耗能量, 微裂纹,因此,它趋向于为一个弱化源,而不是强从而提高复合材料的断裂韧性。肖永亮 化源。弥散强化复合材料的性能特征主要包括:1)等制备的纳米SC颗粒增强A基复合材料, 在低温(<0.2TM)下的高屈服强度;2)高的加工硬张昱等制备的纳米AlO3颗粒增强A基复合材 化能力;3)在直到熔点的高温(0.9-0.95TM)下保料都有显著的纳米复合强韧化效果。在 Naser等 持高的流变应力的能力。 研制的纳米AlO3颗粒增强Cu基复合材料中,纳米 细小颗粒弥散强化复合材料高的屈服强度可用AbO3颗粒主要分布于基体晶界,复合材料的室温 Orowan机制来解释。外加应力△T促进位错移动,硬度为Hvo9(基体Hv060),室温屈服强度为165 并确保它们绕过不变形的弥散颗粒。 MPa(基体107MPa) △t=2Tbs 式中T为位错的线张力;D,为名义颗粒平面间5结束语 隔;b为柏氏矢量。 Brwn和Ham发展了 Orowan的理论,并得到 FeAl金属间化合物具有优良的性能,是航空 材料和高温结构材料领域内具有重要应用前景的新 了以下分3 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.htp/ww. cnki. net图7 所示, 几种类型的颗粒增强FeAl 基复合材料的 断裂韧性均随复合材料中颗粒含量的增大而降低。 这是因为增强相颗粒对裂纹尖端的塑性变形产生了 抑制作用, 使裂纹尖端塑性变形区的保护作用降 低。即使增强相是短纤维和晶须, 也难以通过裂纹 与增强相的相互作用来显著提高复合材料的韧 性[ 19] 。SiC 颗粒增强复合材料的断裂韧性大大低于 其他几种类型的复合材料, 这是因为 SiC 分解产生 的Si 固溶于合金基体, 在起到固溶强化效果的同 时, 也造成基体的脆化。当增强相体积分数在 5% ~ 15%时, FeAl 基复合材料的断裂韧性仍然在很大 程度上受室温脆性的影响。TiB2 颗粒能有效抑制 FeAl 的环境脆性[ 18] , 因此在几种复合材料中 TiB2 颗粒增强复合材料具有最高的断裂韧性。 4. 3 纳米复合强韧化复合材料 颗粒增强金属间化合物基复合材料在提高室温 和高温强度的同时, 并不能使塑性、韧性也得到提 高, 这不利于复合材料可靠性的提高。对机械合金 化法合成的多种纳米金属间化合物进行压缩变形塑 性测试证实, 通过细化金属间化合物的粒径可以提 高其室温塑性[ 8] 。将纳米材料技术与复合强化技术 相结合( 纳米复合强韧化) , 研制新型的金属间化合 物基纳米复合材料是解决金属间化合物 2 大性能缺 陷的有效途径。 4. 3. 1 纳米复合强化 Strudel 等[ 67] 指出: 细小颗粒( 1~ 100 nm) 对复 合材料的屈服强度影响最强; 中等尺寸颗粒( 0. 1~ 1
m) 对再结晶和晶粒长大有强烈的抑制作用, 对 高温蠕变抗力的影响比对低温屈服强度的影响更 大; 粗颗粒( 5~ 50
m) 易造成增强相/ 基体变形相 容性差以及在增强相颗粒邻近产生大的应力集中和 微裂纹, 因此, 它趋向于为一个弱化源, 而不是强 化源。弥散强化复合材料的性能特征主要包括: 1) 在低温( < 0. 2 T M) 下的高屈服强度; 2) 高的加工硬 化能力; 3) 在直到熔点的高温( 0. 9~ 0. 95 T M) 下保 持高的流变应力的能力。 细小颗粒弥散强化复合材料高的屈服强度可用 Orowan 机制来解释。外加应力

促进位错移动, 并确保它们绕过不变形的弥散颗粒。

= 2TbDs ( 10) 式中 T 为位错的线张力; Ds 为名义颗粒平面间 隔; b 为柏氏矢量。 Brown 和Ham [ 68] 发展了Orowan 的理论, 并得到 了以下公式:

= 0. 81[ Gb/ ( 2
)] [ 1/ ( 1-
) 1/ 2 ]
[ 1/ ( Ds- ds) ] ln( d s/ r0) ( 11) 式中 G 为剪切弹性摸量;
为泊松比; ds 为名义 平面颗粒直径; r 0 为位错线能量的内切半径。 在弥散强化复合材料中, 基体承担着主要的载 荷, 弥散颗粒通过阻碍位错移动来强化基体, 弥散 颗粒的平均尺寸及相对量决定着复合材料的力学性 能。弥散强化复合材料的加工硬化机制主要是位错 绕过颗粒以及切过复合材料中的高密度位错区。 Ashby [ 69] 认为: 弥散强化复合材料具有能稳定到高 温的加工硬化能力, 反映出弥散颗粒有很高的钉扎 晶界位 错的 能力。弥散 颗粒对 复合 材料 高温 (
0. 5 T M) 蠕变抗力的影响表现在 2 个方面: 1) 弥 散相起到了位错移动障碍物的作用; 2) 在形变过程 中弥散相产生了位错结构( 如亚晶界) , 这种位错结 构对蠕变过程中的位错移动产生影响。 4. 3. 2 纳米复合韧化 Niihara 等[ 70] 研究表明, 在纳米复合陶瓷材料 中纳米粒子以 2 种形式存在: 1) 分布于基体晶界, 称为晶界型或晶间型; 2) 分布于基体晶粒内部, 称 为晶内型或内晶型。它们具有不尽相同的纳米复合 韧化机制( 图 15) 。纳米复合材料强韧化概括起来首 先是由于纳米弥散相抑制了基体晶粒的生长和异常 长大, 形成均匀的细晶粒显微结构, 并减少晶粒缺 陷的数量; 其次, 由于基体与弥散相之间的热膨胀 系数失配, 冷却期间在弥散相内或弥散相周围存在 局部高应力区, 从而在复合材料中形成高密度位错 区。纳米粒子钉扎或进入位错区, 一方面在晶粒内 形成亚晶界, 造成基体晶粒再细化而起到增强作 用; 另一方面, 在应力作用下, 复合材料内部产生 微裂纹, 微裂纹的扩展将受到硬的陶瓷粒子的反 射、阻碍或在亚晶界处产生裂纹分叉而消耗能量, 从而提高 复合 材料 的断 裂韧 性[ 71, 72] 。肖 永亮 等 [ 73, 74] 制备的纳米 SiC 颗粒增强 Al 基复合材料, 张昱等[ 75] 制备的纳米 Al2O3 颗粒增强 Al 基复合材 料都有显著的纳米复合强韧化效果。在 Naser 等[ 76] 研制的纳米Al2O3 颗粒增强 Cu 基复合材料中, 纳米 Al2O3 颗粒主要分布于基体晶界, 复合材料的室温 硬度为Hv10 91( 基体Hv10 60) , 室温屈服强度为 165 MPa( 基体 107 MPa) 。 5 结束语 Fe-Al 金属间化合物具有优良的性能, 是航空 材料和高温结构材料领域内具有重要应用前景的新 第13 卷第4 期 汤文明, 等: Fe-Al 金属间化合物基复合材料的研究进展
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