1、 本 科 毕 业 论 文题 目 : 熔铸温度对 Al3Nb/铝基复合材料硬度及摩擦磨损性能影响的研究内蒙古工业大学本科毕业论文摘 要尖端科学技术在科学技术领域的发展可谓是突飞猛进，人们对材料的性能要求越来越高，在许多方面，例如在设计导弹、人造卫星、飞机的承载构件时，理想的结构材料应具有重量轻、强度和模量高的特点，即比强度和比模量要高。铝基复合材料各组分之间可协同作用,取长补短，弥补了单相材料的缺点，改进了单相材料的性能，甚至可产生单一材料所不具有的新性能。Al 3Nb金属间化合物具有低密度、高模量、高熔点、以及好的循环使用性能等优点，如果应用于铝基复合材料将会产生广泛的应用前景。本文采用原位反
2、应方法制备了Al 3Nb/铝基复合材料，利用金相显微镜、维氏硬度计、立式万能磨损试验机对不同熔铸温度下，Al 3Nb/铝基复合材料组织、硬度及摩擦磨损性能进行分析，得出最佳的熔铸温度为850，硬度为63.92HV，并且在接触压力为20N 、30N、40N、50N、60N 下，磨损量为0.00302g、0.00312g、0.00332g、0.00346g、0.00356g。关键词： 单相材料,复合材料, 熔铸温度内蒙古工业大学本科毕业论文AbstractThe development is advanced science and technology in the field of scien
3、ce and technology is make a spurt of progress, peoples requirements on the performance of materials is more and more high, in many aspects, such as the bearing structure design of missile, satellite, aircraft, ideal structural material with characteristics of light weight, high strength and modulus,
4、 namely the ratio of strength and modulus to high. Can be synergistic effect, the aluminum matrix composite is divided from each other, to make up for the shortcomings of single phase materials, improved the performance of the single-phase materials, new properties and can generate a single material
5、 does not have. Al3Nb intermetallic compounds with low density, high melting point, high modulus, and good cycle performance advantages, if used in the aluminum matrix composite material will produce widespread application prospect. In this paper, Al3Nb/ aluminum matrix composites were prepared by i
6、n-situ reaction method, using the metallographic microscope, Vivtorinox hardness tester, universal vertical wear test machine to different melting temperatures, Al3Nb/ aluminum matrix composites microstructure, hardness and wear performance analysis, the optimum casting temperature is 850 , hardness
7、 is 63.92HV, and the the contact pressure is 20N, 30N, 40N, 50N, 60N, 0.00302g, 0.00312g, wear as 0.00332g, 0.00346g, 0.00356g.Key words: Single phase material, composite, the casting temperature内蒙古工业大学本科毕业论文目 录引言 .1第一章 绪论 .21.1 复合材料概述 .21.1.1 复合材料的定义和分类 .21.1.2 金属基复合材料的分类和基本性能 .31.1.3 金属基复合材料的制备方法
8、.41.2 金属基原位复合材料的概述 .51.2.1 原位复合材料的定义 .51.2.2 金属基原位复合材料的特点 .51.2.3 金属基原位复合材料的制备方法 .61.2.4 金属基原位复合材料的研究趋势与展望 .61.3 颗粒增强金属基复合材料概述 .71.3.1 颗粒增强金属基复合材料 .71.4 颗粒增强铝基复合材料 .81.4.1 颗粒增强铝基原位复合材料的优点 .81.4.2 颗粒增强铝基原位复合材料的制备特点 .81.4.3 颗粒增强铝基原位复合材料的增强体 .81.4.4 颗粒增强铝基原位复合材料的应用 .91.5 研究意义 .91.6 研究内容 .10第二章颗粒增强铝基原位复
9、合材料的制备 .112.1 实验材料 .112.1.1 增强相选择 .112.1.2 基体的选择 .112.1.3 反应物的选择 .112.2 实验方法及步骤 .122.3 实验仪器及设备 .122.4 实验原理 .14内蒙古工业大学本科毕业论文2.5 实验过程 .14第三章 试验结果及分析 .173.1 样品表征 .173.2 性能测试 .20结论 .22参考文献 .23致谢 .25内蒙古工业大学本科毕业论文1引言材料在人类发展史上有着举足轻重的作用，一种新材料的出现，通常会引起生产力的大幅度提高和生产工具的革新。历史学家常把人类的发展史划分为石器时代、陶器时代、青铜器时代和铁器时代。从某种
10、意义来说，人类的文明史也可以是材料的进步史。随着航空、航天、能源及汽车工业随之发展，人类对材料性能的要求愈来愈高.在研究和发展金属间化合物发现具有密度小、熔点高、高温性能优越、化学稳定性良好等特点，在航空、舰艇和航天器及火箭发动机,工业用燃气轮机的高温部件、核反应堆、石油化工设备等领域应用具有独特的优势。在近十多年来工业发达国家，如美国、日本、欧洲为了大力发展金属间化合物结构材料都制定了全国性的研究计划，发展具有比Ni基高温合金性能更好的高温结构材料是他们的长远目标，尤其注重发展一种具有温度和力学性能介于Ni基高温合金和高温陶瓷材料之间的高温材料、使用温度能更高而高温力学性能特别是强韧性良好的
11、材料 1。金属铌熔点较高、延展性和导热性优良,属于难熔金属(密度为8.6 gcm 3)且密度较低。铌与铝形成的金属间化合物具有优良的高温强度、熔点也较高和较低的密度。Nb 、A1 可作为一种高磁场、高电流下的超导材料来使用 2-3。由于具有复杂的晶体结构和有限的滑移带，铌铝金属间化合物的室温塑性和韧性差，所以，提高延性和增韧是其获得工业应用的必备条件。制约Nb、A1应用的另一个主要原因是它的抗氧化性能较弱，铌及其合金材料在空气气氛中600以上会发生严重氧化，最终导致脆性断裂。通常要采用合金化或延性相增韧来避免其室温脆性，通过合金化和金属陶瓷复合这样的工艺改善其抗氧化性能。目前研究较多的NbAl
12、系金属间化合物主要是 Nb3A1和NbAl3。Nb 3Al金属间化合物的高温屈服强度相当高，在l200 为800MPa，l 300为500MPa。Nb 2Al合金很少作为结构材料来使用，单相Nb 2AI相当脆且韧脆转折温度(BDTT)也高于l150。通过元素粉末热压反应制备单相Nb 2AI的压缩实验说明，在1 200以下发生脆性断裂，但屈服强度比单相Nb 3Al合金的屈服强度要高，当应变速率为110 -4 s-1时，温度为 1300时为870MPa，温度为1500时为290MPa 4NbAl。在NbAl系3种金属间化合物中具有最低的氧化速率 5,合金的熔点高、密度低和高温氧化性能好。这些年，N
13、bAl 3合金的高温抗氧化性能可以通过添加 Cr、Y 和Si的微合金化过程来改善 6。内蒙古工业大学本科毕业论文2第一章 绪论1.1 复合材料概述在科学技术快速发展的今天，特别是尖端科学技术的突飞猛进，随之人们对材料的性能要求也越来越高，在多个方面，例如在人造卫星、设计导弹、飞机的承载构件时，理想的结构材料应具有重量轻，强度和模量高的特点，即比强度和比模量要高。可是，即使比普通钢强度高7倍左右的高强度钢，由于比重大，但比强度却很低，要增加构件的强度就等于同时增加其重量，这对高速运动的部件来说毫无意义。显然，传统的单相材料不能满足实际的需求。所以促使人们制备研究出由多相组合的复合材料，来提高材料
14、的性能。正是复合材料各组分之间取长补短、协同作用的优点弥补了单相材料的缺点，改进了单相材料的性能，甚至可产生单一材料所不具有的新性能。这样，复合材料就诞生了。 1.1.1 复合材料的定义和分类复合材料(composite materials)是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的性能优异的新材料。一般来说，复合材料由基体和增强材料组成。它既能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。其中，增强材料是复合材料的主要承力者，特别是拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等力学性能主要由增强材料承担；基体的作用是将增强材料黏合成一个整体，起到均衡应力和传递应力的作用，使
15、增强材料的性能得到充分发挥，从而产生一种复合效应，使复合材料的性能大大优于单一材料的性能。复合材料的性能主要取决于：基体的性能；增强材料的性能；基体与增强材料之间的界面性能。复合材料的分类方法较多，通常有以下几种：按材料性能高低分为：常用复合材料和先进复合材料；按材料用途分为：结构复合材料和功能复合材料；按增强材料形态及分布方式分为：纤维连续增强复合材料、短纤维增强复合材料、晶须增强复合材料、薄片增强复合材料；按增强材料类型分为：无机非金属增强复合材料、金属增强复合材料、有机纤维增强复合材料；内蒙古工业大学本科毕业论文3按基体材料类型分为：有机材料基复合材料、无机非金属基复合材料和金属基复合材
16、料 7。1.1.2 金属基复合材料的分类和基本性能随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求重量轻，在航空航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。与传统的金属材料相比，它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，与陶瓷材料相比，它又具有高韧性和高抗冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成为新材料家族中的重要一员 8 。 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 9。因此，对这种材料既可以按基体来分类，又可以按增强体来分类： 按基体材料分为：铝基、镁
17、基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、镍基、钛基复合材料发展较为成熟，已在航空航天、电子、汽车等工业中应用；按增强材料分为：连续纤维增强金属基复合材料；非连续增强金属基复合材料(包括颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合材料)；自生增强金属基复合材料(包括反应自生和定向自生、大变形)；层板金属基复合材料。除此之外，还可以按用途和制备工艺来分类，按用途可分为结构复合材料和功能复合材料；按制备工艺可分为外加增强相复合材料和原位自生复合材料。金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以得到具有以下性能的复合材料。
18、高比强度、高比模量。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度愈高，同一零件的自重愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。由于在金属基体中加入适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须及颗粒等增强体，明显提高了复合材料的比强度和比模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件质量轻、刚性好、强度高，是航空航天领域理想的结构材料。导热、导电性能好。金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般在60以上，因此仍保持金属所特有的良好导热性和导电性。由它们制成的集成电路底板和封装件可以迅速有效地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。热膨胀系数小、尺寸稳定性好。金属基复合材料中所用的增强体均具有很小的热膨
19、胀系数，又具有很高的模量。良好的高温内蒙古工业大学本科毕业论文4性能。由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下具有很高的高温强度和模量，因此金属基复合材料比金属基体具有更高的高温性能；耐磨性好。在金属基体中加入了大量的陶瓷增强体，特别是细小的陶瓷颗粒。用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。复合材料的高耐磨性在汽车、机械工业中有重要的应用前景，可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和寿命。良好的断裂韧性和抗疲劳性能。金属基复合材料的断裂韧性和抗疲劳性能取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状态，增强体在金属基
20、体中的分布以及金属基体、增强体本身的特性，特别是界面状态，最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性；据美国宇航公司报道CAl复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为0.7左右。不吸潮、不老化、气密性好。与聚合物相比金属性质稳定、组织致密、不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化；二次加工性能较好。可以有效的借助现有的各种金属材料加工工艺设备实现金属基复合材料的二次加工。1.1.3 金属基复合材料的制备方法20世纪70年代以来，金属基复合材料制造方法日趋成熟，主要可以分为三大类10:固态法。固态法是指在金属基体基本上处于固态情况下，制成复合材料的方法。其
21、中包括粉末冶金法、固态热压法、热等静压法、轧制法、热挤压法、热拉拔法和爆炸焊接法等。因为整个工艺过程处于较低的温度，金属基体和增强体都处于固态，所以，金属基体与增强体之问的界面反应不严重。液态法。液态法是指在金属基体处于熔融状态下与固态的增强体复合的制造方法。其中包括挤压铸造法、真空吸铸、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法、搅拌复合法等。为了减少高温下基体和增强材料之间的界面反应，提高基体对增强材料的浸润性，通常采用加压渗透、增强材料表面处理、基体中添加合金元素等方法。其他方法。主要包括原位自生法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀及复合镀法等。目前应用最广的是原位自生法，因为固态法和液
22、态法都是采用外加增强体的方法，其中增强体和金属基体材料在高温时将不同程度地发生界面反应和氧化反应等有害的化学反应，产生界面脆性相。另外，金属基体与增强体之间浸润性差，有时甚至不浸润，从而影响了复合材料力学性能的发挥。虽然这些都有解决的方法，但复合材料的制备工艺内蒙古工业大学本科毕业论文5会变得相对复杂。而在原位自生法制备的金属基复合材料中，基体与增强材料间的相容性好、界面干净、结合牢固，特别当增强材料与基体之间有共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力，界面上不生成有害的反应产物，因此这种复合材料有优异的力学性能，越来越受到大家的青睐 11。1.2 金属基原位复合材料的概述1.2.1 原位复合
23、材料的定义在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到增强材料与金属基体之间的相容性问题。如果增强体能从金属基体中直接原位生成，则相容性问题可以得到很好的解决。因为原位生成的增强体与金属基体界面结合良好，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强体之间的润湿和界面反应等问题。 早在1967年，前苏联AGMerzhanov等人在用自蔓延高温合成法(SHS)合成TiB2Cu 功能梯度材料时，提出了原位复合材料(in situ composites)的构想，但当时尚未引起人们的重视。直到80年代中后期，当美国Lanxide公司和Drexel 大学的MJKoczak等人先后报道了各自研制的原位 A1203Al
24、和TiCAl复合材料及其相应的制各工艺后，才正式在世界范围内拉开了原位MMCS研究工作的序幕。美国金属学会(ASM)分别于1993年和 1995年两次召开了原位复合材料的国际专题研讨会。由此可见，原位MMCS及其制备技术已成为材料科学工作者普遍关注的研究课题。原位反应合成技术的基本原理是通过元素间或化合物间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到增强金属基体的目的 12。1.2.2 金属基原位复合材料的特点与传统方法制备出的复合材料相比，金属基原位复合材料具有如下特点：增强体在金属基体内原位形核、长大，具有强界面结合、良好的相容性：通过合理的选择反应物可以有效地控制增强相的种类、大小和数量，并可以通过成形工艺来控制增强相的分布，这样就不易出现增强相的团聚和偏析；省去了增强体的预处理，简化了工艺流程，因此，成本也相对降低；能与铸造工艺结合，直接制造出
