金属基复合材料强度的影响因素分析

杨剑博

摘 要：金属基复合材料强度的高低直接关乎到制造产品质量的优劣。因此，对于技术工艺人员来说，必须要在认真分析影响金属基复合材料强度因素的基础上，合理制定有效的措施，尽可能避免其强度受到这些因素影响，才可以确保强度符合标准要求。基于此，本文介绍了影响金属基复合材料强度的主要因素，而且分析了金属基复合材料在五金制造行业中的应用方向，以供大家学习和参考。

关键词：金属基复合材料强度;影响因素

在工程应用中衡量复合材料的主要指标是强度，所以复合材料的强化机理、影响强度的因素等等始终是研究的重要话题。然而因为金属基复合材料的强化机理尚未明确，目前有关设计金属基复合材料的理论依旧存在一定的不合理和盲目性。因此，要想更好更快的促进金属基复合材料发展，必须要不断探索和分析影响复合材料强度的主要因素。

1 影响金属基复合材料强度的主要因素

1.1基体

不同强度材料基体对复合材料的性能指标都有不同程度的影响，比如：抗拉强度、结合力还有屈服强度等等。然而并非基体强度越低，复合材料的强度就越低，而是存在最适合的匹配。根据有关研究成果显示，在低强度的L3纯铝上能够获取最大的增强率，但是在高强度的LY12合金上只能获得低的增强率，通过比较，具有很强的塑性和高强度的LD2当做基体时，强度相当高。而有些研究人员觉得基体本身强度不高，复合材料中基体强度将显著提升，所以对基体强度不高的复合材料利用基体原位性能的明显提升让复合材料强度得到大幅度提升。这些研究均表示基体与增强体之间有优化选择以及科学匹配问题。

基体合金化对复合材料的强度有较大影响，有研究人员讨论铝合金成分影响Al2O3颗粒增强铝基复合材料力学性能[1]。其研究结果显示，在铝合金中添加Cu以及Ni，在高温环境下抗弯强度提高，提高Al的体积分数，也可以提高抗弯强度。还有研究人员提出Mg含量直接影响基于Al-Si-Mg合金的复合材料强度，将Mg彻底消除，让此合金强度大大的加强。此外，通过适量的添加稀土元素，也可以增加复合材料强度，比如：通过添加稀土Ce，在一定程度上可以加强基体。然而现阶段，尚未对稀土元素加强复合材料的原因获得结论。

1.2增强体

在基体金属中添加增强体能够利用对显微组织，比如：亚结构以及位错组态等变化，对基体金属性能的缺陷进行有效弥补。增强体的重要功能是利用基体合金的微观组织改变得以实现，而且其需要承受载荷，而且其对位错的产生以及亚晶结构细化有直接的影响。比如：就SiCp/AL复合材料来讲，因为添加增强颗粒，扩大晶界面积，在固溶处理过程中基体内因为热错配造成的位错，异号位错彼此抵消，同号位移就会经攀移排列成与滑移晶面保持垂直状态的小角度晶界，进而形成亚晶界，而且此亚晶界面积不断扩大[2]。利用Hall-Petch关系式不难发现，亚晶界以及晶界的加大，基体合金晶粒以及亚晶结构等细化，能够使复合材料的强度得到提升。有研究人员研究结果显示，就低强度铝合金来讲，要想确保金属基复合材料的高强度，纤维必须要有相当长的长径比与比较高的界面强度，而针对高强度的铝合金，需要确保纤维有相当高的抗拉强度，这样才可以确保金属基复合材料的抗拉强度相当高。

1.3界面

界面是复合材料中不可或缺的重要构成部分，对复合材料有直接的影响。金属基复合材料宏观性能是否优良通常受到增强体与基体之间的界面结合实际状况影响。要想获得不错的强度，界面结构和性能是增强体与基体性能是否可以全面发挥、形成最优综合性能的重点。而金属基复合材料中许多承载体无法发挥最好性能的根本原因是温度-时间产生的界面反应，因此必须要形成相对稳定的界面结合。金属基复合材料有着相当复杂的界面结构，界面区尺寸是纳米级，很难对表征进行合理分析，就理论层面来讲，常规力学分析通常无法准确得出结果。比如，复合材料增强体要想兼顾高效传递载荷以及避免裂纹扩大，需要保持在最适合的界面结合状态以及强度。如果界面上有台阶，除了能够减少界面结合能，台阶还会产生机械连锁效应，造成很强的界面结合，对加强机械性能是十分有利的。反之，若界面存在脆性的金属间化合物，就会造成比较弱的界面结合[3]。又如，连续纤维加强的金属基复合材料强界面结合强度必须要保持在适合的范围内，由于强界面结合很有可能由于过度界面反应导致纤维受到一定程度的损伤。而在颗粒加强的金属基复合材料中，不管是基体还是增强体，都是承载向强界面结合，进而将颗粒的增强作用全面发挥出来。现阶段，界面优化有多种方法，比如：金属基体合金化，还有改变粘结剂等等。

1.4制备工艺

不同的制备方法会导致复合材料体现出不同的性能特点。比如：就原位生成制备的复合材料来讲，因为原位增强相除了尺寸相当细小，也与基体有着较强的界面相容性，以确保该复合材料具有相当高的强度[4]。高能球磨法可以让增强体颗粒在基体均匀分布，颗粒均匀，对提升复合材料强度是十分有利的。但是一般混合法制备的复合材料中就容易出现偏聚增强体颗粒的情况。对于热处理工艺来说，比如：淬火，就可以加强复合材料。淬火强化作用通常体现在两点，一方面是因为淬火产生的热错配应力而造成的强化，另一方面是颗粒抵抗基体塑性流动产生的背应力而造成的强化。模拟与研究结果显示，冷却速度越大，复合材料中增强颗粒越均匀分布，两者有紧密的关联。同时，时效也可以显著加强复合作用。除此之外，复合材料强度还有可能受到二次加工影响。比如：热挤压可以使复合材料有更高的强度，由于复合材料通过进行热挤压，颗粒分布非常均匀，位错密度也更高，消除许多铸造缺陷。然而如果挤压温度偏高，挤压件表面很有可能出现横向裂缝;如果挤压温度偏低，颗粒分布均匀情况一般，与高温下挤压有很大的差距。

2 金属基复合材料在五金制造行业中的应用

相比较树脂基复合材料而言，金属基复合材料具有诸多特点，比如：高强度、高弹性模量、横向力学性能强、高层间剪切强度、耐热性能强、尺寸相对稳定、热传递性能优良以及不会放出气体对环境造成污染等等[5]。因此金属基复合材料非常适合在综合性能要求均衡的消费产品中进行应用，尤其在以民用消费品为主的五金制造行业可以得到广泛应用。有研究人员利用Fe-Al基复合材料制成适用电磁炉使用的锅具，Fe基层材料具有磁通感应加热特性，电热转化率高，但受热不均匀，通过复合Al基层材料的优良热导性能，将热量均匀传递加热食物，改善了单层钢制锅具易烧焦食物的弊病，现已应用于电磁炉锅具、IH电饭煲内锅等产品中。因此，在产品设计生产中合理利用金属基复合材料的特性，可以有效的提升产品性能及质量，满足广大用户的实际需求。

结语：

总而言之，金属基复合材料强度除了受到以上因素影响，还会受到其它因素影响，主要包括温度以及环境等等。怎样对有利因素充分利用，将一些不利因素去除，以加强金属基复合材料性能是需要深层次探究的问题。基体合金化和改变增强体以及基体的相容性，是非常有效的方法，而且是必须要全面探究的核心内容。

参考文献：

[1]刘峰，王坤，周建国，陈威杨.拧紧力矩对复合材料層合板与金属板连接强度影响[J].空军工程大学学报（自然科学版），2020，21（06）：13-18.

[2]陈伟文.一种高强度的有色金属复合材料[J].有色金属材料与工程，2020，41（04）：61.

[3]王坤. 复合材料层合板与金属板单钉连接强度影响因素研究[D].中国民用航空飞行学院，2020.

[4]吴晶，李文芳.金属基复合材料微屈服强度影响因素的理论与实验分析[J].热加工工艺，2011，40（06）：95-98.

[5]陈剑锋，于志强，武高辉，姜龙涛，孙东立.金属基复合材料强度的影响因素[J].金属热处理，2003（02）：1-9.