SiC-,p--6066Al鋁基復(fù)合材料工藝優(yōu)化及彈性模量的數(shù)值模擬.pdf

1、碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、耐磨、耐疲勞、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、電子、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。目前，各國(guó)相繼進(jìn)入了碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段，在美國(guó)和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，該類復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用也已開(kāi)始，并且被列為21世紀(jì)新材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)的重要方向。國(guó)內(nèi)有多家單位正在研究碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并取得一定的進(jìn)展。制約該種復(fù)

2、合材料廣泛應(yīng)用的重要原因之一在于其彈性模量不能符合應(yīng)用的要求。因此開(kāi)發(fā)高彈性模量的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，有重要的應(yīng)用價(jià)值。 本文以保證拉伸性能尤其是延伸率的前提下提高SiCp/6066Al復(fù)合材料彈性模量為主要研究對(duì)象，以復(fù)合材料微觀力學(xué)為理論工具，通過(guò)復(fù)合材料制備、拉伸性能和彈性模量測(cè)試，金相組織、拉伸斷口、界面形貌等組織觀察，利用宏-微觀統(tǒng)一本構(gòu)模型對(duì)復(fù)合材料彈性模量進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示影響復(fù)合材料彈性模量的決定性因素。

3、 本文采取包套熱擠壓粉末冶金工藝成功制備了高彈性模量的SiCp/6066Al復(fù)合材料。研究中發(fā)現(xiàn)：為了制得達(dá)到預(yù)期性能的SiCp/6066Al復(fù)合材料，適宜的SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為12﹪，而520℃/20min+水淬+170℃/5h的熱處理制度為較優(yōu)越的熱處理制度，對(duì)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及相對(duì)延伸率的提高都為有利。文中分析了不同SiCp/6066Al復(fù)合材料金相顯微組織中顆粒分布的均勻性，結(jié)果表明：顆粒分布越均勻，越有利

4、于復(fù)合材料拉伸性能的提高。另外，從縱向金相顯微組織中觀察到SiC顆粒具有沿?cái)D壓方向流動(dòng)特征。 本文確定了10vol.﹪SiCp/6066Al復(fù)合材料的斷裂模式為延性斷裂，而15vol.﹪SiCp/6066Al復(fù)合材料的拉伸斷口則表現(xiàn)為脆性和延性混合斷裂模式。文中將復(fù)合材料的斷裂機(jī)制劃分為基體的韌性斷裂、顆粒與基體間的界面脫粘、顆粒與基體間的界面開(kāi)裂、SiC顆粒團(tuán)聚體的脆性開(kāi)裂以及單個(gè)SiC顆粒的脆斷。不同界面結(jié)合情況下，起主要作

5、用的機(jī)制不同。通過(guò)TEM觀察發(fā)現(xiàn)，鋁基復(fù)合材料彈性模量的差異是由基體和增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合力不同導(dǎo)致的。界面上一定厚度的反應(yīng)層、離散分布其上的沉淀相增強(qiáng)了界面結(jié)合力。SiC顆粒與基體間的反應(yīng)層不是Al4C3層。界面結(jié)合機(jī)制不是擴(kuò)散結(jié)合，而是化學(xué)反應(yīng)結(jié)合。 為了確定眾多參數(shù)影響復(fù)合材料彈性模量的規(guī)律，本文建立了適用于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的宏-微觀統(tǒng)一本構(gòu)模型及宏-微觀一體化分析方法。該模型能夠方便、有效地計(jì)算復(fù)合材料的宏觀彈性性

6、能，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏、微觀一體化分析。文中采取Matlab語(yǔ)言編程，設(shè)計(jì)圖形用戶界面，開(kāi)發(fā)出顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料彈性模量預(yù)測(cè)系統(tǒng)界面。輸入和選擇各種影響復(fù)合材料彈性模量的因素后，通過(guò)計(jì)算便可得到復(fù)合材料彈性模量的預(yù)測(cè)結(jié)果。 本文利用自行開(kāi)發(fā)的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料彈性模量預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)復(fù)合材料的組分性能、微觀結(jié)構(gòu)以及界面結(jié)合情況影響復(fù)合材料彈性性能的規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：組分性能、顆粒體積含量與界面性能對(duì)復(fù)合材料的

7、彈性模量影響顯著，顆粒形狀、顆粒排列方式以及顆粒尺寸變化方式的影響不明顯，在工程應(yīng)用當(dāng)中可以忽略這些因素的影響。在確定基體和增強(qiáng)體種類后，控制復(fù)合材料彈性模量的途徑主要是改變?cè)鰪?qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)和改善復(fù)合材料的界面結(jié)合情況。指出在保證復(fù)合材料延伸率的前提下，最有效增加復(fù)合材料彈性模量的途徑是改善復(fù)合材料的界面結(jié)合情況。 基于顆粒形狀、顆粒排列方式以及顆粒尺寸變化方式對(duì)復(fù)合材料的彈性模量的影響不明顯，本文對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料彈性模