论文部分内容阅读
颗粒增强铝基复合材料是应时代发展和科学进步需求而出现的极具生命力的材料,能适用于航空航天、轨道交通、国防工业、光学领域、信息通讯等众多领域对材料的特殊要求。颗粒增强铝基复合材料目前在前沿领域和一些典型关键零部件中有所应用,但其普及化和规模化的应用程度无法满足各领域的迫切需求,原因在于颗粒增强铝基复合材料的性能评价方法不够全面和系统,而且缺少对其微观组织和力学性能的全面掌控。自汽车等典型产品轻量化概念提出以后,颗粒增强铝基复合材料因为集高比强度、高比刚度、低热膨胀系数、经济可行等诸多优点,成为汽车等工业领域亟待推广的工程材料,在汽车制动盘、发动机活塞和连杆、发动机缸体和缸套、驱动杆等诸多关键零部件生产中有着巨大的发展潜力。针对部分汽车零部件材料的特殊性能需求,例如制动盘表面材料要求高强度、高耐磨性而里层材料要求高塑性、高韧性,汽车发动机活塞顶部材料要求耐高温、耐冲击、高强度而其余材料要求高塑性、高导热性,SiC颗粒增强的铝基均匀复合材料难以同时满足上述性能需求,而SiC颗粒增强的铝基梯度功能材料因为组成和性能的梯度变化对上述性能需求有更好的适用性。因此SiC颗粒增强的铝基均匀复合材料和铝基梯度功能材料有望在汽车等工业领域大规模推广和使用。针对建立颗粒增强铝基复合材料全面和系统性能评价方法的迫切需求,本文立足于推进颗粒增强铝基复合材料在汽车等工业领域的大规模普及应用,对SiC颗粒增强的6061Al基均匀复合材料和SiC颗粒增强的6061Al基梯度功能材料开展了组织与力学性能的深入研究,以期掌握其性能的变化规律和各种影响因素的作用机理,为其在汽车等工业领域及其他领域的推广应用奠定一定的基础。本文主要开展了以下研究工作:（1）设计并制备了SiCp/6061Al均匀复合材料和梯度功能材料,并进行了物相组成分析和微观组织观察。选择真空热压烧结法制备了不同规格的SiCp/6061Al复合材料,物相组成分析表明,在制备工艺和基体合金相的作用下,复合材料的不利界面反应得到了有效抑制。微观组织观察表明,SiCp/6061Al均匀复合材料的SiC颗粒分布均匀;SiCp/6061Al梯度功能材料的组成在宏观上呈梯度分布,在组成梯度功能材料的各层复合材料内部,SiC颗粒分布均匀,梯度功能材料的层间界面笔直、平行且完整。（2）深入研究了SiCp/6061Al均匀复合材料和梯度功能材料的各项基本性能。相对密度分析表明,SiCp/6061Al复合材料整体具有较高的相对密度,随SiC含量的增加相对密度减小;针对梯度功能材料,定义并考虑了层间差,即梯度功能材料相邻两层间的颗粒含量差异,较小的层间差有利于梯度功能材料获得更加致密的组织。硬度测试结果表明,SiCp/6061Al均匀复合材料的硬度随SiC含量的增加而增大,SiCp/6061Al梯度功能材料的硬度呈梯度变化,热处理显著提高了SiCp/6061Al复合材料的硬度。文中验证了均匀复合材料等效弹性模量的计算模型,并构建了梯度功能材料等效弹性模量的计算模型,模型预测效果良好。（3）揭示了SiCp/6061Al均匀复合材料和梯度功能材料的拉伸变形机理以及拉伸性能在各种影响因素下的变化规律。研究表明,SiC颗粒的直接强化和间接强化机制影响SiCp/6061Al均匀复合材料的拉伸变形;除了受SiC颗粒的直接强化和间接强化机制影响,SiCp/6061Al梯度功能材料的拉伸变形还受强度塑性协同强化机制和层间位错密度强化机制影响。SiCp/6061Al复合材料的抗拉强度与SiC含量呈正相关,伸长率与SiC含量呈负相关,30 wt.%为SiC颗粒对复合材料性能提升作用的临界质量分数;热处理显著地提高了复合材料的抗拉强度,同时降低了其伸长率;复合材料的抗拉强度随温度的升高而减小,伸长率随温度的升高先增大后减小;使用均匀复合材料并承载拉应力的机械构件需选择适宜的材料参数以平衡其对强度和塑性的要求。SiCp/6061Al双层复合材料的剪切试验表明,SiC含量的少量增加、较小的层间差和热处理对提高层间界面的强度有促进作用。层间差较小时SiCp/6061Al梯度功能材料界面的结合强度高、强度塑性协同作用强,抗拉强度和伸长率比相应的SiCp/6061Al均匀复合材料均有提高,适用于对强度和塑性均有较高要求的机械构件。（4）探究了各因素对SiCp/6061Al均匀复合材料和梯度功能材料的弯曲强度、断裂韧性、裂纹扩展行为的影响以及SiCp/6061Al复合材料的断裂失效机理。研究结果表明,SiC含量增加、热处理、层间差增大、FGM-A即载荷施加在高SiC层,都是提高SiCp/6061Al复合材料弯曲强度的有利因素。SiCp/6061Al复合材料的裂纹扩展形式主要有SiC颗粒断裂、SiC颗粒脱粘和基体断裂,主裂纹的扩展形式为微裂纹连接。SiCp/6061Al均匀复合材料的断裂韧性与强度和塑性相关,SiCp/6061Al梯度功能材料的断裂韧性受强度、塑性和层间协同作用的影响。梯度功能材料层间协同在提高位错密度、钝化裂纹、降低裂纹驱动力、吸收裂纹扩展能量等方面的促进作用,使FGM-A和层间差较大的SiCp/6061Al梯度功能材料具有更加优异的断裂韧性,从而适用于承载弯曲应力和对材料韧性、安全性能有较高要求的机械构件。综上,本文主要从SiC含量、热处理、温度、层间差和加载方向等影响因素出发,经过多项试验测试,获得了SiCp/6061Al均匀复合材料和梯度功能材料的微观组织结构和各项力学性能的变化规律,揭示了SiCp/6061Al复合材料的拉伸变形机理和断裂失效机理。本文建立了SiCp/6061Al均匀复合材料和梯度功能材料较为系统的性能评价方法,能够为颗粒增强铝基复合材料在工程实际中的应用和推广提供一定的技术支持和有力保障。