1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

液固界面结构
共晶组织形态取决于两相的熔融熵： ASf/R 界面粗糙度(Jackson interface roughness parameter) A 结晶学参数1， Sf 熔化熵 R 气体常数 <2，固-液界面为原子粗糙界面，非小面界面状形成，生长不受 形核率限制。 >2，固-液界面为原子光滑界面，小面界面状形成，生长受形核 率限制。
区域熔炼SMC (a) 纵向光学 (b) 纵向扫描 (c) 横向扫描
电弧熔炼AMC (a)低倍 (b)高倍
悬浮熔炼FMC (a) 纵向光学 (b) 纵向扫描 (c) 横向扫描
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
ZrC/Mo (Mo-14.0Zr-11.7C) 复合材料性能
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

通常认为，生长方向不能发散而且不能出现枝晶。

根据界面力的传递，强界面结合，纤维不需要太长， 因而可以发散，也可以重新形核生长，这在凝固过程 中是经常出现的，出现枝晶后增加了侧向性能也使工 艺条件变得容易实现了。
H. BEI, G. M. PHARR, E. P. GEORGE, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 39 (2004) 3975 – 3984
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
• Hardness,Young’s modulus, and brittle-ductile transition temperature of monolithic intermetallics with high melting points
复合材料原理
课程学科分类：材料学 课程授课人：成来飞 殷小玮 超高温结构复合材料国防科技重点实验室 2009.4.23
第十三讲 自生复合材料


1 自生复合材料及其理论基础 2 自生复合材料制备方法 3 自生复合材料的结构与性能
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

片层状共晶复合材料的形成条件
规则结构 (棒状或片层状)形成条件 两相都有低熔融熵S S/Rg < 2 Rg 气体常数
一般当两共熔相的体积分散相近(0.3 < Vf < 0.5)， 优先形成片层状结构 （V-V3Si例外）

定向凝固 (Directional Solidification)
由于第二相要生长为长 径比很大的纤维状，第 二相晶体在某一生长方 向的速度必须很大。因 此，必须在定向凝固条 件下的定向生长，才能 获得自生复合材料。
每个固相排斥另一相
由于定向凝固是在一定的温度梯度下进行的，而温度梯 度只能是一个方向，因此自生复合材料只能是单向的。
2.自生复合材料的制备方法
2.1 共晶复合材料制备技术途径：
从工艺角度讲, 获得均匀微结构的关键是 生长过程中保持平固/液界面 ，这需要在 凝固方向具有大温度梯度 1970 Bridgman法<102K/cm 新方法>103104K/cm
(a) 悬浮区熔法 (b) 限制生长法 (c) 显微提拉法 箭头方向为生长方向 R为共晶棒直径 R0为原料棒或润湿直径 界面生长角
silicide eutectics
H Bei, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 39 (2004) 3975 – 3984
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系

Cr3Si/Cr共晶复合材料形貌
Fe-Cr-C(M7C3/)
凝固速度越快，纤维直径和纤维间距越小
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系

Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料性能
Fe-Cr-C(M7C3/)
3.自生复合材料的结构与性能

ZrC/Mo (Mo-14.0Zr-11.7C)复合材料形貌：
V尖端生长速度 界面动力学系数
动力学过冷随着生长速度的增加而增加，在金属体系中可忽略， 但在具有高熔化熵的氧化物陶瓷体系即使生长速度低也不可忽略
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

共晶复合材料的相间距和界面
共晶体的相间距可以用凝固速度来改变 自生复合材料的界面： ① 共晶生长满足界面能最低的条件，因而界面是 稳定的，相容的，无扩散化学反应和热物理不 相容等问题 ② 二相间存在一定的位相关系，最小界面能方向 是优先生长的取向。
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系

Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料形貌
R凝固速度 提拉速度
(a) R=10mm/h Fe-Cr-C(M7C3/)
(b) R=52mm/h
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系

Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料控制
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

共晶复合材料的强韧化
① 晶粒细化对强度的影响 Hall-Petch = 0-1/2 ② 界面强结合，有一定的结晶学关系，界面的作用 表现为界面位错和缺陷对强度的贡献，而不是载 荷传递 ③ 虽然第二相体积分数很小，但非常细小<1m 强度很高 尺寸效应
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

定向凝固过冷度：
T TE T0 TC T TK
成分过冷
TC mi CC
曲率过冷
2 T r Sm
固液界面能 Sm 单位体积熔化熵 r 曲率半径
动力学过冷
Gd裂纹偏转能 Gp 裂纹穿过能 A. Larrea, L. Contreras, and R.I. Merino, J. Mater. Res., 15［6］1314－1319（2000）
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系

Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料制备方法：
conventional
UDS
平面前沿条件
m相图液相斜率 GL实际温度梯度 D残留液相溶质扩散系数 R凝固速度 C0液固浓度差
温度梯度 成分 凝固速度
Liming Lu, Hiroshi Soda, Alexander McLean, Materials Science and Engineering A347 (2003) 214-222
60mm/h和60rpm ，(a) 横向 (b) 纵向
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系

Cr3Si/Cr共晶复合材料形貌
(a) 被Cr阻止的Cr3Si裂纹 (b) Cr3Si单晶中的裂纹
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系

1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
共晶组织形态-----按组成相的 α值大小分类：
· 金属-金属型（粗糙-粗糙界面）
· 金属-非金属型（粗糙-光滑界面）
· 非金属-非金属型（光滑-光滑界面）
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
2.自生复合材料的制备方法
2.3 限制生长法制备共晶复合材料：
Film-fed Edge-Defined-Growth (EFG)
2.自生复合材料的制备方法
2.4 显微提拉法制备共晶复合材料
Micro pulldown
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
规则结构 (棒状或层状) 两相都有低熔融熵S/Rg S/Rg < 2 Rg 气体常数
依靠人工复合方法制备的复合材料都有可能存在界 面强度不合理，界面稳定性差的界面问题。自生复 合材料在液态向固态转变过程中基体和增强体是共 生的，因而不存在界面不稳定的问题(界面自适应)。
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

共晶复合材料(Eutectic Composites)
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)

共晶相界面关系 两相间的关系有三种： 非小晶面/非小晶面共晶 规则层片状或棒状 (粗糙-粗糙界面) 1<2， 2<2两者都小于2 非小晶面/小晶面共晶 （粗糙-光滑界面） 小晶面/小晶面 （光滑-光滑界面） 不规则共晶组织 1or 2>2 其中之一大于2 共晶组织相互独立 1>2，2>2两者都大于2
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)：
在单一方向热流的温度场中共晶自生复材料中两相 共生生长的条件： 一是合适的结晶前沿溶质场和界面过冷度 二是两相共同生长时界面必须匹配，也即小的界面张 力时自生复合材料易于按平界面稳定生长的条件生长
在强制凝固的条件下，满足以上两个条件，一些非规 则共晶可以按规则共晶组织的生长方向生长。