SiCw-6061復(fù)合材料擠壓變形對(duì)組織性能的影響及機(jī)理研究.pdf

1、金屬基復(fù)合材料是復(fù)合材料的重要組成部分，由于其具有可設(shè)計(jì)性和可加工性，近20多年來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已從最初的航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展到汽車(chē)、電子及體育娛樂(lè)等諸多行業(yè)。SiC晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐磨損、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的航空航天材料領(lǐng)域已逐漸實(shí)用化。
　　由于增強(qiáng)體的高強(qiáng)度及高硬度，較之基體材料，金屬基復(fù)合材料的塑性變形能力很差，室溫下的延伸率一般都低于10％，

2、使得二次塑性加工成為阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，考慮到擠壓工藝有利于提高材料的塑性及成形性能，本文對(duì)擠壓鑄造法制備的15%vol.SiCw/6061復(fù)合材料的擠壓變形進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了各工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料微觀(guān)組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對(duì)SiCw/6061復(fù)合材料的擠壓塑性變形機(jī)制進(jìn)行了深入研究，以期為金屬基復(fù)合材料的二次加工及塑性改性提供科學(xué)的理論依據(jù)及分析方法。
　　本文首先就國(guó)內(nèi)外有關(guān)金屬基復(fù)合材料成形加工

3、的實(shí)驗(yàn)方法、理論研究的發(fā)展及其現(xiàn)狀等問(wèn)題進(jìn)行了介紹，系統(tǒng)分析了各種金屬基復(fù)合材料塑性加工工藝的特點(diǎn)和區(qū)別，同時(shí)討論了金屬基復(fù)合材料塑性成形機(jī)制及增強(qiáng)體的力學(xué)行為特征。
　　在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究了SiCw/6061復(fù)合材料的正擠壓實(shí)心件及反擠壓杯形件工藝，并通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察、拉伸測(cè)試以及硬度測(cè)試等分析手段系統(tǒng)研究了擠壓溫度、擠壓比、擠壓模具結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)對(duì)SiCw/6061復(fù)合材料正擠壓及反擠壓變形微觀(guān)組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究

4、表明，擠壓變形后SiC晶須沿材料的塑性流動(dòng)方向呈現(xiàn)出顯著的定向排列趨勢(shì)，并伴隨有比較明顯的折斷現(xiàn)象；通過(guò)提高擠壓溫度、降低擠壓比以及改善模具幾何結(jié)構(gòu)等可以降低SiC晶須的折斷幾率，同時(shí)可以增強(qiáng)晶須的定向排列程度。擠壓變形后復(fù)合材料的硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)都呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，但其隨各工藝參數(shù)的具體變化規(guī)律則不盡相同。
　　為了探討SiCw/6061復(fù)合材料擠壓塑性變形的機(jī)理，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)SiCw/

5、6061復(fù)合材料擠壓塑性變形時(shí)SiC晶須的微觀(guān)行為特征進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，通過(guò)引入位錯(cuò)理論闡明了晶須與基體合金之間的相互作用機(jī)制；同時(shí)提出了基于滑移線(xiàn)場(chǎng)理論的晶須轉(zhuǎn)動(dòng)及折斷機(jī)制，從深層次上揭示了正擠壓及反擠壓變形過(guò)程中SiCw/6061復(fù)合材料晶須的力學(xué)行為及其最終形貌特征。理論研究指出，晶須的加入所引起的SiCw/6061復(fù)合材料的應(yīng)力集中使得晶須的端部附近應(yīng)力升高，基體晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)首先從此開(kāi)動(dòng)，同時(shí)為了配合各晶粒之間保持連續(xù)性所作的

6、協(xié)調(diào)變形引發(fā)了晶須的轉(zhuǎn)動(dòng)；擠壓塑性變形過(guò)程中，應(yīng)力球張量對(duì)晶須的形貌并不構(gòu)成影響，而切應(yīng)力將引發(fā)晶須沿滑移線(xiàn)切線(xiàn)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致晶須的取向?yàn)榫ы毘跏挤较蚺c滑移線(xiàn)方向的合向量；另外，速度間斷對(duì)應(yīng)的沿滑移線(xiàn)切向的劇烈速度變化會(huì)引起晶須在速度間斷線(xiàn)兩側(cè)的折斷。
　　通過(guò)剛塑性有限元法對(duì)擠壓塑性變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，利用速度場(chǎng)分布及流線(xiàn)網(wǎng)格變化進(jìn)一步分析了正擠壓實(shí)心件時(shí)各工藝參數(shù)對(duì)SiCw/6061復(fù)合材料晶須轉(zhuǎn)動(dòng)的影響規(guī)律。分析表明，