SiCw-6061復合材料擠壓變形對組織性能的影響及機理研究.pdf

1、金屬基復合材料是復合材料的重要組成部分，由于其具有可設(shè)計性和可加工性，近20多年來發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已從最初的航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)件擴展到汽車、電子及體育娛樂等諸多行業(yè)。SiC晶須增強鋁基復合材料是非連續(xù)增強金屬基復合材料，具有比強度高、比模量高、耐磨損、抗疲勞等優(yōu)點，目前在工業(yè)發(fā)達國家的航空航天材料領(lǐng)域已逐漸實用化。
　　由于增強體的高強度及高硬度，較之基體材料，金屬基復合材料的塑性變形能力很差，室溫下的延伸率一般都低于10％，

2、使得二次塑性加工成為阻礙其進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。針對上述問題，考慮到擠壓工藝有利于提高材料的塑性及成形性能，本文對擠壓鑄造法制備的15%vol.SiCw/6061復合材料的擠壓變形進行了系統(tǒng)研究，探討了各工藝參數(shù)對復合材料微觀組織和力學性能的影響規(guī)律，并對SiCw/6061復合材料的擠壓塑性變形機制進行了深入研究，以期為金屬基復合材料的二次加工及塑性改性提供科學的理論依據(jù)及分析方法。
　　本文首先就國內(nèi)外有關(guān)金屬基復合材料成形加工

3、的實驗方法、理論研究的發(fā)展及其現(xiàn)狀等問題進行了介紹，系統(tǒng)分析了各種金屬基復合材料塑性加工工藝的特點和區(qū)別，同時討論了金屬基復合材料塑性成形機制及增強體的力學行為特征。
　　在此基礎(chǔ)上，試驗研究了SiCw/6061復合材料的正擠壓實心件及反擠壓杯形件工藝，并通過掃描電鏡觀察、拉伸測試以及硬度測試等分析手段系統(tǒng)研究了擠壓溫度、擠壓比、擠壓模具結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)對SiCw/6061復合材料正擠壓及反擠壓變形微觀組織和力學性能的影響規(guī)律。研究

4、表明，擠壓變形后SiC晶須沿材料的塑性流動方向呈現(xiàn)出顯著的定向排列趨勢，并伴隨有比較明顯的折斷現(xiàn)象；通過提高擠壓溫度、降低擠壓比以及改善模具幾何結(jié)構(gòu)等可以降低SiC晶須的折斷幾率，同時可以增強晶須的定向排列程度。擠壓變形后復合材料的硬度、屈服強度、抗拉強度及延伸率等力學性能指標都呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，但其隨各工藝參數(shù)的具體變化規(guī)律則不盡相同。
　　為了探討SiCw/6061復合材料擠壓塑性變形的機理，在試驗研究的基礎(chǔ)上，對SiCw/

5、6061復合材料擠壓塑性變形時SiC晶須的微觀行為特征進行了系統(tǒng)的分析，通過引入位錯理論闡明了晶須與基體合金之間的相互作用機制；同時提出了基于滑移線場理論的晶須轉(zhuǎn)動及折斷機制，從深層次上揭示了正擠壓及反擠壓變形過程中SiCw/6061復合材料晶須的力學行為及其最終形貌特征。理論研究指出，晶須的加入所引起的SiCw/6061復合材料的應(yīng)力集中使得晶須的端部附近應(yīng)力升高，基體晶粒內(nèi)部的位錯首先從此開動，同時為了配合各晶粒之間保持連續(xù)性所作的

6、協(xié)調(diào)變形引發(fā)了晶須的轉(zhuǎn)動；擠壓塑性變形過程中，應(yīng)力球張量對晶須的形貌并不構(gòu)成影響，而切應(yīng)力將引發(fā)晶須沿滑移線切線方向的轉(zhuǎn)動，導致晶須的取向為晶須初始方向與滑移線方向的合向量；另外，速度間斷對應(yīng)的沿滑移線切向的劇烈速度變化會引起晶須在速度間斷線兩側(cè)的折斷。
　　通過剛塑性有限元法對擠壓塑性變形進行了數(shù)值模擬研究，利用速度場分布及流線網(wǎng)格變化進一步分析了正擠壓實心件時各工藝參數(shù)對SiCw/6061復合材料晶須轉(zhuǎn)動的影響規(guī)律。分析表明，