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

1、碳化硅顆粒增強鋁基復合材料具有高比強度和比剛度、耐磨、耐疲勞、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強度、良好的尺寸穩(wěn)定性和導熱性等優(yōu)異的力學性能和物理性能，可廣泛應用于航空航天、軍事、汽車、電子、體育運動等領域。目前，各國相繼進入了碳化硅增強鋁基復合材料的應用開發(fā)階段，在美國和歐洲發(fā)達國家，該類復合材料的工業(yè)應用也已開始，并且被列為21世紀新材料應用開發(fā)的重要方向。國內(nèi)有多家單位正在研究碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，并取得一定的進展。制約該種復

2、合材料廣泛應用的重要原因之一在于其彈性模量不能符合應用的要求。因此開發(fā)高彈性模量的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，有重要的應用價值。 本文以保證拉伸性能尤其是延伸率的前提下提高SiCp/6066Al復合材料彈性模量為主要研究對象，以復合材料微觀力學為理論工具，通過復合材料制備、拉伸性能和彈性模量測試，金相組織、拉伸斷口、界面形貌等組織觀察，利用宏-微觀統(tǒng)一本構模型對復合材料彈性模量進行數(shù)值模擬，揭示影響復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復合材料。研究中發(fā)現(xiàn)：為了制得達到預期性能的SiCp/6066Al復合材料，適宜的SiC顆粒體積分數(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，對復合材料的抗拉強度、屈服強度以及相對延伸率的提高都為有利。文中分析了不同SiCp/6066Al復合材料金相顯微組織中顆粒分布的均勻性，結果表明：顆粒分布越均勻，越有利

4、于復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顆粒具有沿擠壓方向流動特征。 本文確定了10vol.﹪SiCp/6066Al復合材料的斷裂模式為延性斷裂，而15vol.﹪SiCp/6066Al復合材料的拉伸斷口則表現(xiàn)為脆性和延性混合斷裂模式。文中將復合材料的斷裂機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裂、SiC顆粒團聚體的脆性開裂以及單個SiC顆粒的脆斷。不同界面結合情況下，起主要作

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

6、能，實現(xiàn)對復合材料結構的宏、微觀一體化分析。文中采取Matlab語言編程，設計圖形用戶界面，開發(fā)出顆粒增強金屬基復合材料彈性模量預測系統(tǒng)界面。輸入和選擇各種影響復合材料彈性模量的因素后，通過計算便可得到復合材料彈性模量的預測結果。 本文利用自行開發(fā)的顆粒增強金屬基復合材料彈性模量預測系統(tǒng)，對復合材料的組分性能、微觀結構以及界面結合情況影響復合材料彈性性能的規(guī)律進行了研究。研究結果表明：組分性能、顆粒體積含量與界面性能對復合材料的

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