热轧高含量B4C颗粒增强Al基复合材料的成形性能

高含量B₄C (B₄C≥30wt%)颗粒增强Al基(B₄C_P/Al)复合材料具有优异的结构和功能特性,尤其是具有优异的中子吸收性能,在核防护领域被用做屏蔽材料使用。但由于高含量B₄C颗粒的加入,使B₄C_P/Al复合材料变形困难。采用ABAQUS数值模拟方法对不同变形量下B₄C_P/Al复合材料的热轧过程进行数值模拟分析,在480℃温度下对热压烧结的B₄C_P/Al复合材料坯料进行轧制,并对其微观组织和力学性能进行分析。数值模拟结果表明,热轧变形量达到60%以上时,B₄C_P/Al复合材料板材表面中间区域应力较小,侧面应力较大,在板材边缘容易产生残余应力。研究结果表明,随轧制下压量的增加,B₄C_P/Al复合材料中B₄C颗粒分布明显均匀,位错密度增加。当轧制变形量达到70%时,B₄C_P/Al复合材料的屈服强度提高至249.46 MPa,极限抗拉强度提高至299.56 MPa。在拉伸过程中,B₄C颗粒优先断裂,但并未与基体界面脱黏,B₄C颗粒承受了主要载荷,Al基体发生塑性流动,从而提高了B₄C_P/Al复合材料的强度。      

微观状态SiCp/Al复合材料铣削残余应力模拟分析

为了获得更高精度的高体积分数SiCp/Al复合材料铣削加工表面残余应力数据,采用有限元分析软件ABAQUS建立了基于正交切削的微观平面应变模型。复合材料两相材料属性被分别定义,改善了在宏观状态下整体定义材料属性的精度缺陷,并对其微观状态切削残余应力产生过程进行模拟分析。分析并得出了不同切削参数对工件加工表面残余应力的影响规律以及沿工件层深方向的残余应力分布情况。结果表明切削速度和每齿进给量对SiCp/Al复合材料已加工表面残余应力有着相似的影响规律,但每齿进给量的影响作用较为显著。     

7075Al/SiCp复合材料的热压缩变形流变应力和组织行为

采用圆柱试样在Gleeble-1500热模拟机上对喷射沉积7075Al/SiCp复合材料进行高温压缩变形实验,实验条件为:变形温度300～450℃,应变速率0.001～1s-1.结果表明:7075Al/SiCp复合材料的流变应力大小受到变形温度和应变速率的强烈影响,流变应力随应变的增加而逐渐增加,出现一峰值后逐渐下降;流变应力随变形温度的升高、应变速率的降低而降低.可用Zener-Hollomon参数的双曲正弦形式来描述7075Al/SiCp复合材料高温压缩变形流变应力.随着变形温度的升高和应变速率的降低,7075Al/SiCp复合材料热变形过程中SiCp的分布逐渐均匀化,有利其热加工性能的改善.     

高体积分数SiCp/Al复合材料铣削残余应力有限元模拟

高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料具有优良的综合物理力学性能,其难加工性制约着该材料的应用与发展,切削加工产生的表面残余应力严重影响了工件的结构和尺寸精度稳定性。为了研究高体积分数SiCp/Al复合材料的铣削加工表面残余应力,采用有限元分析软件ABAQUS建立了基于正交切削的平面应变模型,并对建立的宏观等效模型进行模拟分析。在模拟结果中,分析并得出了不同切削速度和每齿进给量对工件加工表面残余应力的影响规律以及沿工件层深方向的残余应力分布情况。     

B4CP/2009Al复合材料动态再结晶临界条件

目的 研究B4CP/2009Al复合材料的热变形流变行为,确定B4CP/2009Al复合材料发生动态再结晶的临界条件。方法 采用Gleeble-1500热模拟机对体积分数为25%的B4CP/2009Al复合材料进行热压缩试验,热压缩温度为300~500 ℃,应变速率为0.001~1 s?1,并建立热变形本构方程。基于加工硬化率曲线(θ-σ),获得动态再结晶临界条件。结果 B4CP/2009Al复合材料的流变应力随温度的升高和应变速率的降低而降低。临界应力(σc)与峰值应力(σp)存在线性关系：σc=0.2992σp+22.4698,引入Zener-Hollomon参数描述变形条件对临界条件的影响,得到临界应变与Z参数的关系：εc=1.35×10?3Z0.047 39。结论 B4CP/2009Al复合材料的流变应力曲线以动态再结晶软化机制为主要特征,B4C增强颗粒的加入促进了复合材料的动态再结晶。     

高体分SiCp /Al复合材料热变形行为及组织的研究

在应变速率为0.0005～0.01 s-1、变形温度为700～900 ℃条件下,对高体积分数SiC颗粒增强Al基复合材料进行了高温压缩实验,研究了复合材料高温压缩流变应力,观察了复合材料压缩后的组织形貌.结果表明:SiCp/Al复合材料在热压缩变形中发生了伪塑性变形,流变应力随应变速率的增加而增加,随变形温度的增加而降低;通过线性回归分析计算了复合材料的应变指数n以及变形激活能Q,获得了材料高温条件下的流变应力本构方程;高温压缩后的复合材料,颗粒尺寸、圆整度及分布均匀性明显提高.     

闭孔泡沫Mg2Si/Al复合材料的制备及压缩性能研究

采用熔体发泡法,以原位自生Mg2Si/Al复合材料为基体,CaCO3作发泡剂,通过控制温度和搅拌参数,成功制备出不同密度的闭孔泡沫铝。通过静态压缩性能试验发现:泡沫Mg2Si/Al复合材料的压缩过程具备泡沫金属压缩变形的三阶段(弹性变形、应力平台区、致密化阶段)特征;压缩屈服强度和平台应力均随密度增加而增大;屈服点附近应力值下降,应力平台区出现锯齿波形,暴露出孔壁的脆性破裂特征。经过人工时效热处理,泡沫Mg2Si/Al复合材料的屈服强度显著增大。通过观察孔壁的微观组织发现,Al基体被孔壁中粗大的Al+Mg2Si伪共晶组织所割裂。     

热处理过程中SiCP/2024Al复合材料的热应力分析

为研究热处理过程中SiCP/2024Al复合材料的热应力的变化规律,及热处理工艺对SiCP/2024Al复合材料热残余应力的影响,利用Marc有限元软件对淬火和冷热循环热处理过程中的SiCP/2024Al复合材料的热应力进行了数值模拟.研究结果表明:热处理过程中,颗粒和基体的界面附近会产生很大的热应力场,并且在SiC颗粒的尖角处产生热应力集中;经淬火处理后的SiCP/2024Al复合材料的热残余应力与基体的屈服强度接近,但经过冷热循环处理后的SiCP/2024Al复合材料中的热残余应力明显降低.     

不同体积分数SiC_p/Al复合材料薄壁板的变形仿真

应用ABAQUS软件对SiC_p/Al复合材料薄壁板的变形进行仿真研究,得出了载荷施加位置、SiC颗粒体积分数对SiC_p/Al复合材料薄壁板变形及应力的影响规律。结果表明:随载荷施加位置沿约束方向从薄壁板的中间向端部移动,薄壁板的最大变形和最大应力增加趋势越来越明显;随着载荷施加位置距约束端距离的增加,薄壁板的最大变形和最大应力呈增加趋势。随着SiC颗粒体积分数从5%增加到40%,薄壁板的变形和应力均变化不大,当体积分数从40%增加到56%时,应力明显减小,载荷作用位置距离约束端越远,最大变形减小的趋势越大。     

SiCw／Al复合材料的残余热应力与Bauschinger效应

研究了晶须体积分数为２５％的ＳｉＣｗ／Ａｌ复合材料的残余淬火应力及在较大预压缩变形条件下的Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应。结果表明，复合材料中的残余应力随淬火温度的提高而增大，复合材料压缩变形后，晶须发生了转动。晶须转动与残余应力共同作用的结果是复合材料的Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ应力在的淬火温度下达到最大值。     

液-固两相区压缩变形对SiCw/6061Al复合材料组织和性能的影响

研究了液固两相区压缩变形对SiC_w/6061A l 复合材料组织和性能的影响。结果表明, 压缩变形温度对变形后复合材料中晶须长径比、取向, 复合材料组织的致密性、均匀性和界面结合状态均有不同程度的影响。复合材料组织的变化又影响到复合材料的性能。复合材料高温大变形后性能的变化是评价复合材料高温塑性成形加工工艺的最重要指标。通过分析复合材料的组织和性能, 从而确定了复合材料最佳压缩变形工艺。     

SiC／Al合金层状复合材料的机械性能及损伤行为

在室温条件下测定了Ａｌ合金以连续层状形式存在于ＳｉＣ陶瓷层间并渗透入ＳｉＣ陶瓷层内、Ａｌ合金浓度呈层状变化高低相间，以及Ａｌ合金和ＳｉＣ陶瓷均匀分布相互渗透三种ＳｉＣ含量相同而结构形式不同的ＳｉＣ／Ａｌ合金复合材料的机械性能；用ＳＥＭ和光学显微镜观察分析了复合材料的断口形貌及裂纹扩展过程。结果表明，在ＳｉＣ陶瓷层间以连续层状形式存在的Ａｌ合金在应力作用下发生较大程度的塑性变形，在裂纹尾部被拉伸和形成桥接，引起能量耗散，减缓裂纹扩展速度，防止裂纹张开，使复合材料的韧性得到明显改善；ＳｉＣ／Ａｌ合金陶瓷─金属层状复合材料的损伤形式主要是ＳｉＣ陶瓷层开裂、金属层桥接和裂纹偏转。     

界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响

研究了界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响.结果表明,界面过渡层降低了复合材料中的残余应力,改善了界面的结合,提高了复合材料的压缩性能.当界面过渡层中SiC的体积分数接近50%时,复合材料的压缩强度最高,塑性最好,但弹性模量较低.界面过渡层的存在改变了复合材料的弯曲断裂机制.SiC原始泡沫增强的复合材料在断裂时,增强体SiC泡沫先断裂,基体后破坏,断裂表面凹凸不平;含界面过渡层的复合材料断裂时,过渡层的外侧界面先被撕开,内侧界面结合良好,基体与增强体同时断裂,断口平整.     

An experimental study on deformation behavior below 0.2% offset yield stress in some SiCp/Al composites and their unreinforced matrix alloys

The deformation behaviors below 0.2% offset yield stress in some silicon carbide particulate reinforced aluminum composites (SiCp/Al) and their unreinforced matrix alloys were investigated experimentally in this work. The results of the study showed that incorporation of SiC particulate into aluminum matrix can enhance the plastic flow stress (PFS) in macroplastic stage but slightly lower PFS in microplastic stage. With increase in the volume fraction of SiC particulate (V_p), the 0.2% offset yield stress (σ_0.2) increases while the resistance to microplastic deformation (σ_10⁻⁵) first decreases and then increases. The composite with smaller particle size presents higher PFS both in micro- and macro-plastic stages. It was also found that heat treatment remarkably influence both micro- and macro-plastic behaviors of the composites. Quenching followed by artificial aging can significantly enhance PFS both in micro- and macro-plastic stages for the age hardened alloy based composites (SiCp/2024Al) but has no obvious effect for the non-age hardened alloy based composites (SiCp/Al). For both the SiCp/2024Al composite and unreinforced 2024Al alloy, PFS exist a ‘peak value’ with variation of aging time, implying that like the conventional yield strength, PFS in microplastic stage of the composite is also strongly controlled by the precipitates formed in matrix during aging treatment. The effects of thermal cycling on PFS are dependent to the V_p. In large V_p case (35%), with increase in cyclic number PFS slightly decreases but in small V_p case (15%) PFS slightly increases as the cyclic number increases. The PFS in microplastic stage is very sensitive to the microstructure features. The lower residual thermal stresses, small density of moveable dislocations and harder matrix would be beneficial to the increase of PFS in microplastic stage in the composites.     

SiC_P/Al基复合材料在等径角挤扭变形中的界面原子扩散行为

为了研究金属基复合材料在剧烈塑性变形(SPD)过程中增强颗粒与金属基体的界面连接机制,通过等径角挤扭(ECAP-T)工艺在较低温度下制备块状10wt%SiCP/Al基复合材料,并对经过1、2和4道次ECAP-T变形的SiC颗粒与纯Al之间的界面反应以及元素扩散进行了研究。通过TEM和XPS研究了界面和元素扩散,结果表明:即使在较低的外界制备温度下,Al和SiC颗粒表面的SiO2层也能够发生反应,形成主要由Al2O3组成的界面层。相比理论计算值,ECAP-T变形可以将Al的扩散系数提高约1016倍,增强扩散的原因主要是ECAP-T变形促使界面温度升高,且在铝基体内产生空位、位错和晶界等高密度晶格缺陷。     

变形温度对SiCW/6061Al复合材料压缩变形期间基体金属流动和晶须重新取向的影响

借助观察和分析变形前后晶须取向和试样形状的变化，研究了晶须呈定向排列的SiCw/6061Al复合材料压缩变形期间金属流动和晶须重新取向的现象。研究结果表明，由于晶须的定向排列，SiCw/6061Al复合材料压缩变形期间基体金属的流动和晶须的重新取向强烈地依赖于变形温度。在较高温度压缩变形时，基体金属可以更均匀地流动，此时晶须是否发生重新取向与变形时环状和柱状试样的应变场有关；在较低温度变形时晶须不发生重新取向。     

CF／Al复合材料的热膨胀行为

测试和分析了用热压和挤压铸造工艺制备的ＣＦ／Ａｌ复合材料热膨胀行为。指出ＣＦ／Ａｌ的热膨胀规律与其内部残余应力的存在方式密切相关，其制备方式对热膨胀过程也有影响。从热膨胀变化规律能够间接了解材料内部残余应力的生成、消亡及存在方式，为材料的尺寸稳定化处理及选择热处理制度提供理论和实验依据。     

热挤压对SiCW/Al复合材料塑性的影响

对ＳｉＣｗ／Ａｌ复合材料进行了热挤压，并用ＳＥＭ对拉利断口进行了观察和分析。研究结果表明，抗挤压能够明显地提高ＳｉＣｗ／Ａｌ复合材料的塑性。热挤压导致复合材料塑性提高的原因是由于热挤压变形造成基体塑性的提高，以及晶须的折断和沿挤压方向定向排列的结果。     

Ca含量对SiC/Al泡沫复合材料性能和结构的影响

研究了SiC颗粒增强铝基（SiC/Al）复合材料中Ca含量对SiC分散性的影响以及Ca含量对注气法制备的SiC/Al泡沫复合材料的压缩性能和结构的影响。首先,制备不同Ca含量的SiC/Al复合材料,用来制备SiC/Al泡沫复合材料的基本材料,并对不同Ca含量的SiC/Al泡沫复合材料进行压缩实验;然后,利用OM、SEM和XRD研究了SiC/Al复合材料及泡沫结构中Ca含量对SiC分散性的影响。结果表明:Ca的加入会明显影响SiC/Al复合材料中SiC的分布,且存在Ca含量临界值。当Ca含量小于1.5wt%时,SiC在基体中分布较均匀;当Ca含量达到或超过1.5wt%时,熔体中生成一种富含Al、Ca和Si的金属间化合物Ca₂Al₄Si₃,且其体积分数和尺寸随Ca含量的提高而显著增大,SiC集聚在这些金属间化合物区域内及其边界上而影响SiC分布的均匀性。压缩实验表明,SiC/Al泡沫复合材料压缩应力-应变曲线的平台应力和抗压屈服强度随着Ca含量的增加有提高的趋势。相应的SiC/Al泡沫复合材料的胞壁厚度随着Ca含量的提高明显增加,这不仅与金属间化合物的形成提高了熔体黏度相关,更可能是与金属间化合物在熔体中尺寸随Ca含量提高而明显增大相关。      

无压浸渗法制备不同体积分数及梯度SiCp/Al复合材料

选用不同粒径大小的SiC颗粒,并通过对颗粒分布的有效控制,采用无压浸渗工艺制备了不同体积分数(15%～65%)的SiCp/Al复合材料,并在此基础上试制了梯度SiCp/Al复合材料.运用OM,XRD等手段对所制备的复合材料进行了显微组织观察与成分分析,并对选定体积分数的复合材料进行了密度以及力学测试.研究结果表明,无压浸渗工艺下不同体积分数的SiCp/Al复合材料组织均匀、致密,力学性能良好;具有梯度结构的SiCp/Al复合材料层间结合良好,没有层间剥离现象.