《Metal Matrix Composites》第二版

请叫我雷锋

《Metal Matrix Composites》第二版
金属基复合材料
作者：
Nikhilesh Chawla
Krishan K. Chawla
出版社：Springer
出版时间：2013年

《Metal Matrix Composites》第二版

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目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Types of MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Characteristics of MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Reinforcements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Fibrous Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Fiber Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Carbon Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Fabrication of Carbon Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.2 PAN-Based Carbon Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 Pitch-Based Carbon Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.4 Spinning and Rheology of Mesophase Pitch . . . . . . . . . . . 13
2.3.5 Structure and Properties of Carbon Fibers . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.6 Structure of Carbon Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.7 Carbon Nanotubes, Nanoparticles, and Graphene . . . . . . 16
2.4 Boron Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Residual Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Oxide Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.1 Alumina-Type Oxide Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6 Nonoxide Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.1 Silicon Carbide Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.2 Silicon Carbide Fibers Made by CVD . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.3 Nonoxide Fibers via Polymer Precursors . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.4 Structure and Properties of Nicalon Fiber . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.5 Other SiC-Type Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.7 Whiskers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8.1 Particulate Silicon Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8.2 Particulate Tungsten Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.9 Comparison of Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10 Statistical Analysis of Fiber Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
xiii
3 Matrix Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 Bonding and Crystalline Structure in Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Crystalline Defects in Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Strengthening Mechanisms in Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.1 Dislocation Strengthening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2 Grain Boundary Strengthening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.3 Solute and Precipitation Strengthening . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.4 Fracture in Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Common Matrix Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.1 Aluminum and Aluminum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2 Titanium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.3 Magnesium and Its Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.4 Cobalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.5 Copper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.6 Silver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.7 Nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.8 Niobium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.9 Intermetallics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5.1 Types of Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.2 Flux and Flux Pinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.3 Ductile Alloys: Niobium-Titanium Alloys . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.4 A-15 Superconductors: Nb3Sn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1 Liquid-State Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Casting or Liquid Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.2 Spray Co-deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.3 In Situ Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.4 Infiltration Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.5 Microstructure Evolution During Liquid-Phase
Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.6 Casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Solid-State Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1 Powder Metallurgy Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.2 Extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.3 Forging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.4 Pressing and Sintering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.5 Roll Bonding and Co-extrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.6 Diffusion Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.7 Explosive Shock Consolidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 Gaseous-State Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.1 Physical Vapor Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1 Crystallographic Nature of the Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2 Wettability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
xiv Contents
5.3 Types of Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3.1 Mechanical Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3.2 Chemical Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.3 Interactions at the Interface due to Thermal Mismatch . . . 111
5.4 Measurement of Interfacial Bond Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4.1 Bend Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4.2 Fiber Pullout and Pushout Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6 Micromechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1 Elastic Constants of a Fiber Reinforced Composite . . . . . . . . . . . . 121
6.1.1 Strength of Materials Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.1.2 Micromechanical Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1.3 Semiempirical Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.1.4 Eshelby Method or Equivalent Homogeneous
Inclusion Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.1.5 Numerical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.2 Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.1 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.2 Coefficient of Thermal Expansion (CTE) . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2.3 Thermal Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2.4 Electrical Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.3 Thermal Stresses in Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.3.1 Thermal Stresses in Particulate Composites . . . . . . . . . . . . 154
6.3.2 Thermal Stresses in Fiber Reinforced Composites . . . . . . . 157
7 Monotonic Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1 Strengthening Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1.1 Direct Strengthening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.1.2 Indirect Strengthening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.2 Monotonic Behavior of Continuous Fiber Reinforced MMCs . . . 175
7.2.1 Criteria for Debonding and Crack Deflection
at an Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2.2 Work Done in Fiber Pullout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.2.3 Effect of Interfacial Reactions on Monotonic Behavior . . . 184
7.2.4 Modeling of Monotonic Behavior of Continuous
Fiber Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.3 Monotonic Behavior of Discontinuously Reinforced MMCs . . . . 191
7.3.1 Modeling of Monotonic Behavior
of Particle-Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.4 In Situ Metal Matrix Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.5 Fracture Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8 Cyclic Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.1 Stress Versus Cycles (S–N) Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.1.1 Continuous Fiber-Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.1.2 Stiffness Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.1.3 Particle-Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Contents xv
8.2 Fatigue Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.2.1 Continuous Fiber-Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.2.2 Particle-Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.2.3 Hybrid and Laminated Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.3 Thermal Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.1 Continuous Fiber Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.2 Discontinuously Reinforced MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
9.3 Superplasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10 Wear and Corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.2 Particle Reinforced Aluminum Matrix Composites . . . . . . . . . . . . 314
10.3 Tungsten Carbide/Cobalt Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.3.1 Hardness and Strength of Cemented Carbides . . . . . . . . 317
10.3.2 Double Cemented Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
10.4 Wear in Braking Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.5 Corrosion of MMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
11 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.1 Aerospace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.1.1 Aircraft Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.1.2 Fiber Metal Laminates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
11.1.3 Missiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.1.4 Space Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
11.2 Transportation (Automotive and Railway) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.2.1 Railroad Brakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
11.3 Electronics and Thermal Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
11.4 Filamentary Superconducting Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
11.5 Power Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
11.6 Recreational and Sporting Goods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
11.7 Wear-Resistant Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Author Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Subject Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367


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