金屬基復合材料強度的影響因素分析

楊劍博

摘 要：金屬基復合材料強度的高低直接關乎到制造產品質量的優(yōu)劣。因此，對于技術工藝人員來說，必須要在認真分析影響金屬基復合材料強度因素的基礎上，合理制定有效的措施，盡可能避免其強度受到這些因素影響，才可以確保強度符合標準要求?；诖耍疚慕榻B了影響金屬基復合材料強度的主要因素，而且分析了金屬基復合材料在五金制造行業(yè)中的應用方向，以供大家學習和參考。

關鍵詞：金屬基復合材料強度;影響因素

在工程應用中衡量復合材料的主要指標是強度，所以復合材料的強化機理、影響強度的因素等等始終是研究的重要話題。然而因為金屬基復合材料的強化機理尚未明確，目前有關設計金屬基復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金屬基復合材料發(fā)展，必須要不斷探索和分析影響復合材料強度的主要因素。

1 影響金屬基復合材料強度的主要因素

1.1基體

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

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

1.2增強體

在基體金屬中添加增強體能夠利用對顯微組織，比如：亞結構以及位錯組態(tài)等變化，對基體金屬性能的缺陷進行有效彌補。增強體的重要功能是利用基體合金的微觀組織改變得以實現(xiàn)，而且其需要承受載荷，而且其對位錯的產生以及亞晶結構細化有直接的影響。比如：就SiCp/AL復合材料來講，因為添加增強顆粒，擴大晶界面積，在固溶處理過程中基體內因為熱錯配造成的位錯，異號位錯彼此抵消，同號位移就會經攀移排列成與滑移晶面保持垂直狀態(tài)的小角度晶界，進而形成亞晶界，而且此亞晶界面積不斷擴大[2]。利用Hall-Petch關系式不難發(fā)現(xiàn)，亞晶界以及晶界的加大，基體合金晶粒以及亞晶結構等細化，能夠使復合材料的強度得到提升。有研究人員研究結果顯示，就低強度鋁合金來講，要想確保金屬基復合材料的高強度，纖維必須要有相當長的長徑比與比較高的界面強度，而針對高強度的鋁合金，需要確保纖維有相當高的抗拉強度，這樣才可以確保金屬基復合材料的抗拉強度相當高。

1.3界面

界面是復合材料中不可或缺的重要構成部分，對復合材料有直接的影響。金屬基復合材料宏觀性能是否優(yōu)良通常受到增強體與基體之間的界面結合實際狀況影響。要想獲得不錯的強度，界面結構和性能是增強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。而金屬基復合材料中許多承載體無法發(fā)揮最好性能的根本原因是溫度-時間產生的界面反應，因此必須要形成相對穩(wěn)定的界面結合。金屬基復合材料有著相當復雜的界面結構，界面區(qū)尺寸是納米級，很難對表征進行合理分析，就理論層面來講，常規(guī)力學分析通常無法準確得出結果。比如，復合材料增強體要想兼顧高效傳遞載荷以及避免裂紋擴大，需要保持在最適合的界面結合狀態(tài)以及強度。如果界面上有臺階，除了能夠減少界面結合能，臺階還會產生機械連鎖效應，造成很強的界面結合，對加強機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，就會造成比較弱的界面結合[3]。又如，連續(xù)纖維加強的金屬基復合材料強界面結合強度必須要保持在適合的范圍內，由于強界面結合很有可能由于過度界面反應導致纖維受到一定程度的損傷。而在顆粒加強的金屬基復合材料中，不管是基體還是增強體，都是承載向強界面結合，進而將顆粒的增強作用全面發(fā)揮出來?，F(xiàn)階段，界面優(yōu)化有多種方法，比如：金屬基體合金化，還有改變粘結劑等等。

1.4制備工藝

不同的制備方法會導致復合材料體現(xiàn)出不同的性能特點。比如：就原位生成制備的復合材料來講，因為原位增強相除了尺寸相當細小，也與基體有著較強的界面相容性，以確保該復合材料具有相當高的強度[4]。高能球磨法可以讓增強體顆粒在基體均勻分布，顆粒均勻，對提升復合材料強度是十分有利的。但是一般混合法制備的復合材料中就容易出現(xiàn)偏聚增強體顆粒的情況。對于熱處理工藝來說，比如：淬火，就可以加強復合材料。淬火強化作用通常體現(xiàn)在兩點，一方面是因為淬火產生的熱錯配應力而造成的強化，另一方面是顆粒抵抗基體塑性流動產生的背應力而造成的強化。模擬與研究結果顯示，冷卻速度越大，復合材料中增強顆粒越均勻分布，兩者有緊密的關聯(lián)。同時，時效也可以顯著加強復合作用。除此之外，復合材料強度還有可能受到二次加工影響。比如：熱擠壓可以使復合材料有更高的強度，由于復合材料通過進行熱擠壓，顆粒分布非常均勻，位錯密度也更高，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 金屬基復合材料在五金制造行業(yè)中的應用

相比較樹脂基復合材料而言，金屬基復合材料具有諸多特點，比如：高強度、高彈性模量、橫向力學性能強、高層間剪切強度、耐熱性能強、尺寸相對穩(wěn)定、熱傳遞性能優(yōu)良以及不會放出氣體對環(huán)境造成污染等等[5]。因此金屬基復合材料非常適合在綜合性能要求均衡的消費產品中進行應用，尤其在以民用消費品為主的五金制造行業(yè)可以得到廣泛應用。有研究人員利用Fe-Al基復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加熱特性，電熱轉化率高，但受熱不均勻，通過復合Al基層材料的優(yōu)良熱導性能，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)已應用于電磁爐鍋具、IH電飯煲內鍋等產品中。因此，在產品設計生產中合理利用金屬基復合材料的特性，可以有效的提升產品性能及質量，滿足廣大用戶的實際需求。

結語：

總而言之，金屬基復合材料強度除了受到以上因素影響，還會受到其它因素影響，主要包括溫度以及環(huán)境等等。怎樣對有利因素充分利用，將一些不利因素去除，以加強金屬基復合材料性能是需要深層次探究的問題?；w合金化和改變增強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容。

參考文獻：

[1]劉峰，王坤，周建國，陳威楊.擰緊力矩對復合材料層合板與金屬板連接強度影響[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2020，21（06）：13-18.

[2]陳偉文.一種高強度的有色金屬復合材料[J].有色金屬材料與工程，2020，41（04）：61.

[3]王坤. 復合材料層合板與金屬板單釘連接強度影響因素研究[D].中國民用航空飛行學院，2020.

[4]吳晶，李文芳.金屬基復合材料微屈服強度影響因素的理論與實驗分析[J].熱加工工藝，2011，40（06）：95-98.

[5]陳劍鋒，于志強，武高輝，姜龍濤，孫東立.金屬基復合材料強度的影響因素[J].金屬熱處理，2003（02）：1-9.