微米SiCp與納米TiCp協(xié)同增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.pdf

1、活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，工況條件極為苛刻，活塞材料因此需要優(yōu)異的綜合性能。為了提高現(xiàn)有鋁硅活塞合金的力學(xué)性能，本文采用有限元與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，通過改變不同第二相（初生硅、共晶硅、富銅鎳相）尺寸與不同微納米相（碳化硅、碳化鈦）對(duì)合金進(jìn)行強(qiáng)化，得到了第二相與微納米相對(duì)合金應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律。在這個(gè)過程中，采集光學(xué)金相（OM）以獲取鋁硅活塞合金的顯微組織，并以此進(jìn)行三維重構(gòu)，探究活塞合金中第二相的分布與空間結(jié)構(gòu)。使用掃描電鏡（SE

2、M）、透射電鏡（TEM）表征復(fù)合材料的界面以及顯微結(jié)構(gòu)。通過拉伸實(shí)驗(yàn)與納米壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)量材料的力學(xué)性能。建立第二相、微納米相的三維數(shù)字模型，并以此為基礎(chǔ)建立代表性體積元模型（RVE）。采用有限元法探究第二相尺寸以及復(fù)合材料中的顆粒含量、尺寸、界面結(jié)合對(duì)材料的力學(xué)性能影響，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴三維重構(gòu)結(jié)果表明初生硅的空間形貌為多面塊體，共晶硅則為長(zhǎng)條狀，所有硅相總體積含量約為12.59％，并且活塞合金中大部分的初生

3、硅與共晶硅相連。鋁化合物的空間結(jié)構(gòu)呈復(fù)雜的絲網(wǎng)狀，相對(duì)孤立地分布在活塞合金中，連通性較低，其總體積含量約為3.43%。富鐵相的空間形貌為不規(guī)則的塊體，在合金中孤立地分布，含量較少。⑵有限元結(jié)果表明初生硅的塊體尖角處易引起應(yīng)力集中，隨著初生硅的尺寸的變小，尖角處的應(yīng)力下降，合金強(qiáng)度提高，基體塑性變差。共晶硅為合金屈服強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者，隨著尺寸的減小合金的強(qiáng)度提高最為明顯。富銅鎳相相對(duì)較高的彈性模量使得它在合金體系中成為主要應(yīng)力承擔(dān)者，絲網(wǎng)

4、狀的空間結(jié)構(gòu)有利于合金體系的強(qiáng)化。隨著尺寸的減小對(duì)合金的性能貢獻(xiàn)越大，但富銅鎳相在合金中的含量較低，它的力學(xué)強(qiáng)化作用在宏觀屈服強(qiáng)度上體現(xiàn)不明顯。⑶在納米TiCp/Al復(fù)合材料中，TiC對(duì)基體有細(xì)晶強(qiáng)化作用，強(qiáng)化貢獻(xiàn)使用Hall-Petch公式進(jìn)行量化納入有限元計(jì)算時(shí)的基體性能當(dāng)中，并以此研究了TiC的尺寸與含量對(duì)復(fù)合材料性能影響。計(jì)算結(jié)果表明，200nm的TiC強(qiáng)化作用大于500nm的TiC,隨著含量的提升它們都對(duì)基體強(qiáng)度起到了強(qiáng)化作用

5、。當(dāng)含量為5wt.%與3wt.%時(shí)，它們的TiCp/Al復(fù)合材料屈服強(qiáng)度變化較小，但高含量的顆粒會(huì)對(duì)基體塑性產(chǎn)生更加不利的影響。采用500nm碳化鈦增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，顆粒含量較低的1wt.%與3wt.%的復(fù)合材料屈服強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值較為吻合。⑷SiCp/Al復(fù)合材料中顆粒與基體的界面結(jié)合對(duì)復(fù)合材料性能影響較大，在載荷作用下界面脫粘開裂。當(dāng)界面強(qiáng)度大于500MPa后復(fù)合材料性能提高較少，低于200MPa，復(fù)合材料力學(xué)性能急劇下降。實(shí)驗(yàn)曲線