基于二维切削的SiCp/Al复合材料表面损伤形成机制研究

目的 研究SiCp/Al复合材料切削过程中的表面损伤形成机制。方法 以SiCp/Al复合材料为研究对象,展开基于二维切削的仿真和实验研究,建立了包含铝合金2A14、SiC增强颗粒以及界面特性的SiCp/Al切削仿真模型,对作用于不同Si C颗粒部位的材料表面缺陷进行分析;接着利用高速直线电机搭建能映射二维切削条件的实验平台,在不同材料去除条件下,利用扫描电子显微镜和白光干涉仪对切削表面形貌进行测试,分析和验证切削表面损伤形成条件。结果 SiCp/Al复合材料切削表面损伤机理取决于SiC颗粒相对刀具切削路径的位置：当刀尖作用在Si C颗粒的顶部时,表面损伤主要为基体撕裂、颗粒破碎;当刀尖作用在Si C颗粒的中部时,表面损伤为颗粒破碎导致的裂纹和凹坑;当刀尖作用在Si C颗粒的底部时,表面损伤为颗粒拔出导致的凹坑。随着切削深度的增大,凹坑逐渐增多,表面粗糙度随之增大。结论 利用二维切削模型仿真方法和高速直线电机实验,可以有效研究复合材料切削损伤形成机制。Si C颗粒相对刀具切削路径的位置不同会导致切削损伤不同;SiCp/Al复合材料表面质量会随着切削速度的提升而有所提高。     

SiC_p增强铝基复合材料的力学性能和断裂机理

采用真空热压法制备了SiCp的体积含量为30%的SiCp/2024Al复合材料,研究了SiCp粒径对复合材料组织及性能的影响。结果表明,颗粒粒径从3.5μm增大到40μm,复合材料的抗拉强度和硬度减小,伸长率和断面收缩率增大,增强体颗粒在基体中分布越来越均匀。当SiCp粒径为25μm时,复合材料的致密度最高。复合材料的断裂由SiCp的断裂、界面处撕裂和基体的开裂等几种机理共同影响。随着颗粒粒径的增大,复合材料断裂由界面处撕裂和基体开裂转变为SiCp断裂。     

微米级SiC颗粒对铝基复合材料拉伸性能与强化机制的影响

为了研究微米级碳化硅颗粒(SiCp)尺寸对中体积分数SiCp增强铝基复合材料的拉伸性能与强化机制的影响,用粉末冶金工艺制备体积分数为30%的SiCp/2024Al复合材料,利用OM,SEM,万能材料试验机等对材料微观结构和拉伸性能进行了研究。结果表明,复合材料的拉伸强度随着SiCp尺寸的减小而增大。当SiCp尺寸为3μm时,复合材料的断裂主要以界面处的基体合金撕裂为主;当SiCp尺寸为25μm和40μm时,复合材料的断裂以SiCp解理断裂为主;当SiCp尺寸为8μm和15μm时,复合材料的断裂方式是以界面处的基体合金撕裂和SiCp的断裂共同作用。3μm SiCp增强复合材料相对密度不高、SiCp分布不均匀但其拉伸强度最大,主要原因为受力时小SiCp极少断裂和小颗粒效应导致基体的显微组织强化。     

T6热处理对SiCp/Al复合材料摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金法制备出不同SiC颗粒体积分数(30%、35%和40%)的SiCp/Al复合材料。采用MMU-5GA微机控制真空高温摩擦磨损试验机对比研究SiCp/Al复合材料在不同体积分数以及T6热处理前后情况下平均摩擦因数和磨损率的变化,通过扫描电镜分析了SiCp/Al复合材料表面磨损形貌,探讨了摩擦磨损机理。试验结果表明,SiC颗粒体积分数在30%~40%变化时,随其体积分数增加耐磨性下降。SiC颗粒体积分数在30%~35%范围内,SiC颗粒与基体结合较好,SiC颗粒作为硬质点起到抵抗磨损和限制基体合金塑性变形产生磨损的双重作用;但SiC含量过多时,颗粒与基体的结合不紧密,磨损时颗粒极易脱落,复合材料耐磨性降低;T6热处理后复合材料的平均摩擦因数和磨损率均降低,这是由于热处理后试样强度及硬度提高,从而提高了试样的耐磨性;常温下复合材料在磨损初期的磨损机理主要以磨粒磨损为主,而在磨损期则为磨粒磨损与剥落磨损共存。     

SiCp/Al复合材料超精密车削仿真与试验研究

针对SiC_p/Al复合材料因脆性相SiC的加入而导致难以形成高质量加工表面等问题,采用分子动力学模拟和超精密车削试验的方法对SiC_p/Al复合材料纳米尺度材料去除过程进行研究,重点分析了单晶金刚石超精密切削SiC_p/Al复合材料中的加工表面形成机理、脆塑性转变以及刀具磨损机理。结果表明:高压相变是引起SiC_p/Al复合材料中SiC脆性材料的脆塑性转变的主要原因。随着切削深度的增加,SiC_p/Al复合材料中SiC颗粒加工方式由延性去除,到脆塑性混合方式去除,最后演变为纯脆性去除方式。SiC_p/Al复合材料中SiC-Al界面和Al基体存在,影响了SiC_p/Al复合材料中SiC颗粒去除的脆塑性转变机制。待加工表面上拉应力的存在会诱导微裂纹尖峰,是切削区域脆性SiC材料裂纹萌生的直接诱因。单晶金刚石刀具主要磨损机理为硬质SiC颗粒的磨粒磨损和切削诱导的石墨化。     

不同体积分数SiCp/Al复合材料单颗磨粒划切仿真与试验研究

SiCp/Al复合材料由性能差异巨大的碳化硅颗粒与铝合金基体组成,切削过程复杂,影响加工质量因素多,材料仿真建模困难。本文提出了虑及颗粒随机分布特性、形状、粒径、体积分数等因素的SiCp/Al复合材料参数化建模方法,研究了不同体积分数SiCp/Al复合材料的去除过程、切削力、表面形貌及损伤等,并进行了试验验证。仿真分析与试验结果表明,参数化建模效果较好。SiCp/Al复合材料具有表面损伤严重、切削力大、基体涂覆掩盖表面缺陷、实际切削深度小等特点,不能单纯以表面粗糙度评价SiCp/Al复合材料的加工质量。粒径大、体积分数高的SiCp/Al切削力、比磨削能更低,表面质量更差,实际切削深度更小,铝合金涂覆现象更严重且覆盖层易脱落。SiC粒径对表面损伤、切削力、比磨削能有重要影响。本文可为SiCp/Al复合材料表面去除特点研究与工程应用提供一定的借鉴。     

体育器材用SiCp/Al复合材料的制备和性能研究

研究了SiC颗粒尺寸和体积分数对SiCp/Al复合材料性能的影响。结果表明,在相同体积分数下,SiC颗粒粒径越小,对复合材料性能的改善效果越明显,5μm时效果最好。采用5μm的SiC颗粒,复合材料的抗拉强度、比强度随体积分数增大而先增后降,15%时达到最大,硬度随体积分数的增大而增大。综合来看,SiC颗粒粒径为5μm,体积分数为15%时,制备的材料性能最好。     

SiCP／Al-Si复合材料颗粒偏析问题及力学性能

采用扫描电镜对基体中Si含量和冷却速度对SiCp/Al-Si复合材料颗粒偏析问题及Si含量和冷却速度对复合材料力学性能的影响进行了研究.结果表明,当基体分别为Al-7Si、Al-12Si和Al-21Si合金时,随着基体中Si含量的增加,SiC颗粒偏析得到明显改善,但当基体中Si含量大于12%时,随着Si含量的增加,SiC颗粒偏析改善的程度不明显.当基体为Al-7Si合金时,采用砂型时,SiC颗粒被排斥到共晶体内,形成颗粒偏析;采用石疆型时,由于冷却速度快,SiC颗粒没有充分的时间做长距离的移动,SiC颗粒分布均匀.随着基体中Si含量的增加,3种基体复合材料的力学性能逐渐降低.增大冷却速度可以明显提高材料的力学性能.     

SiCp/Al复合材料导热性能的数值模拟

采用有限元方法对SiCp/Al复合材料的导热性能进行了数值模拟,建立了平面四颗粒和多颗粒随机分布复合材料测试模型,研究了颗粒体积分数、颗粒粒径、颗粒形貌以及基体对复合材料导热性能的影响.结果表明,SiCp/Al复合材料的热导率随SiC颗粒体积分数增加而下降;复合材料热导率随颗粒粒径的增大而稍有变化;球形颗粒复合材料热导率高于方形颗粒复合材料热导率,ZL101基体复合材料热导率高于ZL102基体复合材料热导率.     

热挤压变形对搅拌铸造SiCp/2024复合材料显微组织与力学性能的影响

利用搅拌铸造?热挤压工艺制备SiCp/2024复合材料板材。通过金相观察(OM)、扫描电镜(SEM)及力学性能测试等手段研究了该复合材料热挤压变形前后的显微组织与力学性能。结果表明,复合材料铸坯主要由大小为80μm~100μm的等轴晶组成,晶界第二相粗大呈非连续状分布,SiC颗粒较均匀地分布于基体合金,大部分SiC颗粒沿晶界分布,少数颗粒分布于晶内;热挤压变形后,显微孔洞等铸造缺陷和SiC颗粒团聚现象明显消除,SiC颗粒及破碎的第二相沿热挤压方向呈流线分布,复合材料的强度和塑性显著提高;拉伸断口表明,热挤压变形有利于改善SiC颗粒与基体合金的界面结合;SiCp/2024复合材料主要的断裂方式为SiC颗粒断裂和SiC/Al的界面脱粘。     

热压对喷涂SiCp/Al复合材料组织和热性能的影响

为了将SiCp／Al复合材料应用到电子封装领域,利用亚音速火焰喷涂技术制备了SiCp／Al复合材料,探讨了热压处理对喷涂SiCp／Al复合材料组织及热性能的影响。结果表明,体积分数和孔隙率是影响喷涂SiCp／Al复合材料热性能的主要因素。热压处理可以有效地降低喷涂SiCp／Al复合材料内部的孔隙率,使复合材料的组织更加致密、均匀、界面结合更加牢固。与喷涂态相比较,热压处理后SiCp／Al复合材料热导率和热膨胀系数均有所提高。     

Determination of tensile properties by instrumented indentation technique: Representative stress and strain approach

Tensile properties can be evaluated by defining representative stress and strain with the parameters obtained from instrumented indentation tests using a spherical indenter. The accuracy of this approach depends strongly on how the contact depth is analyzed and how the representative stress and strain are defined. The primary factors influencing the determination of contact depth, pile-up/sink-in and elastic deflection, were quantified by analyzing indentation morphology by finite element simulation; then plastic pile-up/sink-in behavior was formulated in terms of the strain-hardening exponent and the ratio of indentation depth to indenter radius. For the representative strain, the definition by tangent function was determined to be more appropriate for assessing tensile properties based on derived behaviors of the strain-hardening exponent. This approach was experimentally verified by comparing tensile properties of 10 metallic materials from uniaxial tensile tests and instrumented indentation tests.     

纵扭复合超声振动铣削SiCp/Al表面质量研究

SiCp/Al复合材料具有优异的性能,在航天航空、光学行业、汽车工业等高科技领域得到了广泛应用,但它在塑性和硬度之间差距巨大,使得超精密加工显得非常困难。建立超声铣削动力学模型,采用单因素法检测分析了SiCp/Al复合材料在不同主轴转速、铣削速度和铣削深度下的表面粗糙度与表面形貌,建模仿真了纵扭复合超声振动刀刃铣削轨迹,得到了影响加工表面质量规律及机制。研究发现主轴转速为3000 r/min、铣削速度为180 m/min时,表面粗糙度值最小;材料表面质量随铣削深度的增加而下降。为SiCp/Al复合材料铣削加工提供了合理工艺参数,提高了加工效率,降低了刀具磨损,延长了刀具使用寿命。     

稀土Ce和变形参数对SiCp/Al复合材料热变形的影响

制备了SiC质量分数为5％、8％,Ce质量分数为0.05％的SiCp/Al复合材料.利用Gleeble-1500热模拟试验机,在不同变形温度、变形速率下进行压缩试验,研究了稀土Ce对SiCp/Al复合材料热变形行为的影响.结果表明,SiC质量分数为8％的SiCp/Al复合材料在低温高应变速率条件下发生了动态再结晶.同样条件下,高应变速率的复合材料动态再结晶晶粒比低应变速率下的细小.稀土元素Ce对SiCp/Al复合材料具有明显的强化作用,并且稀土元素Ce能抑制复合材料的动态再结晶.     

SiC_p/Al电子封装材料与陶瓷元件浸渗连接机理研究

分别将陶瓷元件嵌入凝胶注模成型后的SiC预制型中,再采用气压浸渗T艺制备高体积分数SiCp/Al复合材料的同时,实现了复合材料与元件的原位连接.采用SEM、EDS和XRD等分析了连接界面的显微组织及界面反应,结果表明:SiCp/AI与元件间的界面反应产物由MgAl204和Mg3Al2(SiO4)3等组成,界面反应层厚度约2～3μm,产物生成量主要由Al合金中的Mg、元件中SiO2含量等因素决定;SiCp/Al复合材料与Al2O3元件通过气压浸渗可以实现有效的反应连接.     

SiCp/Al复合材料低损伤加工技术研究进展

SiC_p/Al复合材料具有优异的性能,在尖端的空天装备中应用广泛,但由于其组成相碳化硅颗粒和铝合金之间存在的巨大性能差异,使得加工过程中极易出现加工损伤,严重影响SiC_p/Al复合材料产品的精度和使役性能,制约着SiC_p/Al复合材料的工程化应用。本文围绕SiC_p/Al复合材料低损伤加工技术,从加工损伤的形成机理、加工损伤的影响因素、低损伤加工工具和加工工艺3个方面对国内外相关的研究进展进行分析,总结目前针对SiC_p/Al复合材料低损伤加工技术研究现状和不足之处,并指出发展趋势和方向。     

（Al2O3）p和SiCp多元增强铝基复合材料

利用Ａｌ２（ＳＯ４）３ 分解反应所制备的多元增强铝基复合材料,其中Ａｌ２Ｏ３ 和ＳｉＣ 颗粒和基体结合良好,分解的ＳＯ３ 对ＳｉＣｐ／ Ａｌ 复合材料熔体进行精炼、除气,试样中没有发现气孔、团聚、集聚、偏析,克服了传统搅拌铸造所带来的铸造缺陷,解决了回收利用重熔过程中的吸气、精炼问题;从而为颗粒增强铝基复合材料走向实用化打下了基础。     

压渗SiCp／Al电子封装复合材料的研究

采用压渗的方法制取了ＳｉＣ体积分数基本相同、而颗粒大小不同的ＳｉＣｐ／Ａｌ电子装封复合材料。测定热膨胀系数表明，在ＳｉＣ体积分数基本相同时，ＳｉＣ颗粒的大小对ＳｉＣ／Ａｌ复合材料的热膨胀系数影响很大。颗粒和基体界面面积的大小直接影响热应力的大小，从而影响基体的弹塑性行为。     

Size dependent nanoindentation of a soft film on a hard substrate

Nanoindentation experiments on Al/glass systems show that, as the indentation depth increases, the hardness decreases during a shallow indentation, and increases when the indenter tip approaches the film–substrate interface. We associate the rise in hardness during two stages with the strong strain gradient effects, the first stage is related with the small scale effects and the second stage with the strain gradient between the indenter and the hard substrate. Using the strain gradient theory proposed by Chen and Wang and the classical plasticity theory, the observed nanoindentation behavior is modeled and analyzed by means of the finite element method, and it is found that the classical plasticity cannot explain the experiment results but the strain gradient theory can describe the experiment data at both shallow and deep indentation depths very well. The results prove that both the strain gradient effects and substrate effects exist in the nanoindentation of the film–substrate system.