微米SiCp與納米TiCp協(xié)同增強鋁基復(fù)合材料設(shè)計與驗證.pdf

1、活塞是發(fā)動機的關(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驗結(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）對合金進行強化，得到了第二相與微納米相對合金應(yīng)力應(yīng)變場及屈服強度的影響規(guī)律。在這個過程中，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)。通過拉伸實驗與納米壓痕實驗測量材料的力學(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)合對材料的力學(xué)性能影響，并實驗驗證。
　　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，合金強度提高，基體塑性變差。共晶硅為合金屈服強度的主要貢獻者，隨著尺寸的減小合金的強度提高最為明顯。富銅鎳相相對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化。隨著尺寸的減小對合金的性能貢獻越大，但富銅鎳相在合金中的含量較低，它的力學(xué)強化作用在宏觀屈服強度上體現(xiàn)不明顯。⑶在納米TiCp/Al復(fù)合材料中，TiC對基體有細晶強化作用，強化貢獻使用Hall-Petch公式進行量化納入有限元計算時的基體性能當中，并以此研究了TiC的尺寸與含量對復(fù)合材料性能影響。計算結(jié)果表明，200nm的TiC強化作用大于500nm的TiC,隨著含量的提升它們都對基體強度起到了強化作用

5、。當含量為5wt.%與3wt.%時，它們的TiCp/Al復(fù)合材料屈服強度變化較小，但高含量的顆粒會對基體塑性產(chǎn)生更加不利的影響。采用500nm碳化鈦增強復(fù)合材料時，顆粒含量較低的1wt.%與3wt.%的復(fù)合材料屈服強度實驗值與預(yù)測值較為吻合。⑷SiCp/Al復(fù)合材料中顆粒與基體的界面結(jié)合對復(fù)合材料性能影響較大，在載荷作用下界面脫粘開裂。當界面強度大于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。實驗曲線