超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件Abaqus对20%SiCp/Al复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及Al基体撕裂是影响SiCp/Al复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题,对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。

SiCp/Al复合材料纳米压痕/划痕下的脆塑性行为研究

为探究SiCp/Al复合材料中两相材料相互作用引起的力学性能差异,研究微观尺度下法向载荷变化对SiCp/Al复合材料形变和去除的影响。采用纳米压痕实验,基于Oliver-Pharr法测得其硬度和弹性模量,并对其压痕表面进行观察,结合有限元仿真分析产生力学性能差异的原因;同时,根据纳米压痕实验所得力学参数进行变载荷纳米划痕仿真,并配合实验后划痕表面观察结果分析材料的形变和脆塑性行为。结果表明:当金刚石压头作用于SiC颗粒时,颗粒出现破碎和二次压入现象,所测硬度与弹性模量小于单晶SiC的理论值;当金刚石压头作用于基体相时,由于SiC颗粒阻碍基体压入,复合材料的硬度与弹性模量测量结果偏大。在纳米划痕过程中,复合材料的去除形式随载荷变化体现为划擦、耕犁和切削阶段,其中的基体相通过塑性流动产生塑性脊堆积并伴随有涂覆现象,SiC颗粒则以脱黏、断裂破碎和拔出等脆性机制而去除,且SiC颗粒的二次压入、断裂、破碎和拔出是导致复合材料力学性能与单晶SiC的力学性能产生巨大差异的主要原因。随着划痕载荷增加,SiC体积分数为45%的SiCp/Al复合材料的去除机制更多取决于以塑性去除为主的基体相,而SiC颗粒则主要表现为脆性去除。

纵扭超声辅助铣削SiCp/Al复合材料表面质量研究

高体积分数SiCp/Al复合材料具有高比强度、高比模数和良好的耐磨性等优异性能。然而,它们的高硬度和脆性会导致精密制造过程中应力分布更为复杂,这会使材料中产生过大的力和过多的热,从而影响加工精度和工件耐久极限寿命。目的通过分析切削过程中颗粒的去除机理和表面缺陷类型,利用纵扭超声辅助铣削(longitudinal-torsional ultrasonic assisted milling,LTUAM)技术,改善高体积分数SiCp/Al复合材料的加工表面质量。方法利用ABAQUS和PYTHON软件,建立考虑颗粒断裂过程的两相随机分布颗粒SiCp/Al复合材料模型,并采用Johnson-Cook模型和Brittle Cracking模型对SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削过程进行有限元模拟仿真。针对不同加工参数,进行SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削和常规铣削(conventional milling,CM)试验,评估有限元仿真模拟与试验结果的一致性。结果模拟结果表明,损伤和裂纹主要产生在SiC颗粒(SiCp)中上部的切削线上,凹坑缺陷主要产生在颗粒下部的切削线上。试验结果显示,表面缺陷的类型主要包括颗粒的损伤和拔出、颗粒的损伤和断裂形成凹坑、未损伤的颗粒形成凸起、破损颗粒与刀具在已加工表面上挤压摩擦形成犁沟、铝基体涂覆、表面微裂纹和表面空穴等,并且当加工速度120 m/min,超声振幅3μm时,最大裂纹深度最小,表面缺陷最小,表面质量最好。结论对比有限元仿真结果与试验结果发现,二者的表面质量变化趋势基本具有一致性。纵扭超声辅助铣削技术的应用对提高SiCp/Al复合材料的表面质量有较好效果。

预热温度对激光选区熔化成形30%SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料力学性能的影响

基板常温工况下激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料存在孔洞、裂纹等冶金缺陷,从而导致成形零件致密度低、力学性能差等问题。首先研究了固定优化成形工艺参数时,基板预热温度(200~400℃)对45μm的30%(质量分数,下同)SiC_(p)/AlSi10Mg成形零件表观致密度和力学性能的影响;进一步提高SiC_(p)质量分数至50%,再次评价了上述基板预热温度对成形性能的影响。结果表明,当SiC_(p)质量分数为30%时,升高基板预热温度可以减少成形零件的孔洞和裂纹,成形零件的表观致密度及力学性能显著提高;当基板预热至400℃时,成形零件表观致密度最高达到97.98%,与此同时极限抗压强度和极限抗拉强度分别为578 MPa和56 MPa;随着SiC_(p)质量分数进一步增加至50%,基板预热温度对成形零件致密化和力学性能的强化效果逐步减弱。本研究证明高温预热基板能够有效抑制激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料的冶金缺陷,为增材制造SiC_(p)/Al复合材料提供了工程应用解决方案。

Gr/Al-0.7Si-1.2Mg复合材料制备及摩擦性能研究

采用二次热压法制备Gr质量分数为10％～25％的Gr／Al—0．7Si-1．2Mg复合材料，研究了制备工艺对组织结构及其摩擦磨损性能的影响．结果表明，采用较快速率升温的热压法可有效防止石墨铝复合材料制备过程的有害界面反应，得到组织均匀且致密的石墨铝基复合材料．Gr／Al—0．7Si-1．2Mg复合材料的摩擦系数随载荷的增大而降低，在较大载荷时，可形成完整的石墨润滑膜，不同石墨含量的复合材料的磨擦系数趋于一致，达到0．17．石墨含量高的复合材料容易形成润滑层，所以摩擦系数在较低载荷下就能达到最小值．复合材料相对密度对磨损率的影响较大，接近理论密度的复合材料在本研究试验条件下能保持较低的磨损率。最低可达到0．5×10^-3～2．1×10^-3mm^3／m．

(SiC,Gr)/Al复合材料的热压法制备及其摩擦磨损性能研究

采用快速升温热压法制备((1-×)SiC-×Gr)20wt.%/Al-0.8Si-1.2Mg-0.4Cu复合材料,研究其与钢球对磨的摩擦磨损规律。结果表明:快速升温热压法可制备致密性较高的(SiC,Gr)20wt.%/Al复合材料,并有效抑制剧烈的界面反应。复合材料与GCr15钢的摩擦系数随载荷波动不大,随×增大而降低。×0.3时,脱落在摩擦面的石墨较少,摩擦系数下降较慢,×>0.3后,摩擦系数快速减小。×=0.2和0.3时复合材料的磨损率随载荷增加急剧增大,差别最大达7倍,而×0.05或≥0.6时,SiC与石墨颗粒能协调作用,复合材料具有良好的耐磨性,磨损率随载荷变化较小。×=0.6时,复合材料具有最低的磨损率(8.4×10-4mm3/m),处于超轻微磨损状态。

高阻尼6061Al/SiC_p/Gr复合材料中的内耗峰及其阻尼机制

采用喷射共沉积方法制备了 60 61Al SiCp Gr混杂金属基复合材料 (MMC) ,研究了其阻尼性能。结果表明 :该材料在 15 0℃附近有一温度内耗峰 ,且随频率增加该峰峰位向高温移动 ,峰高降低。通过Arrhenius方程测得内耗峰的激活能为 1 17eV。分析认为 ,该峰具有弛豫特性 ,它是在热与应力的双重作用下 ,有位错拖曳点缺陷运动所致 。

机械合金化制备(Al_2O_3+Gr)/Cu复合材料的性能

采用机械合金化制备Al2O3、Gr(石墨)双相强化Cu基复合材料((Al2O3+Gr)/Cu),研究球磨时间对复合材料组织与性能的影响。结果表明:球磨时间为9 h时,细长条状的Gr和纳米Al2O3颗粒弥散分布在Cu基体中,(Al2O3+Gr)/Cu复合材料具有最佳的综合性能,相对密度、硬度、导电率、摩擦系数和体积磨损率分别为95.3%、142 HV、39.8%IACS、0.15和1.4×10-3mm3/m;球磨时间对(Al2O3+Gr)/Cu复合材料的摩擦系数影响较小,体积磨损率则随着球磨时间的延长先增大后减小,与Al2O3/Cu复合材料相比,(Al2O3+Gr)/Cu复合材料具有优良的减磨耐磨性能。

Gr/Al复合材料的阻尼性能

通过内耗测量方法研究了石墨颗粒增强铝基复合材料 (Gr Al MMCs)的阻尼性能 ,并结合微观结构分析 ,探讨了Gr Al MMCs产生高阻尼性的机制。内耗测量是在多功能内耗实验仪上进行的 ,测量温度范围为 2 5～ 40 0℃ ,频率为 1.0～ 3.0Hz。实验结果表明 :含高体积分数石墨颗粒的Gr Al MMCs是一种高阻尼材料 ,其阻尼性能显著高于工业纯铝及石墨 ,并且随石墨体积分数的增加而上升。经进一步分析认为 ,由石墨颗粒引入的大量宏观缺陷和由残余热应力而导致的铝基体中的高密度位错是使Gr Al

SiCp+Gr/2024Al复合材料的力学性能和加工性能

颗粒增强的铝基复合材料已在航空航天、汽车等工业领域获得广泛的使用,但难加工性限制了此类复合材料的广泛应用。选用SiC颗粒和鳞片状石墨作为增强体,采用挤压铸造法制备SiCp+Gr/2024Al复合材料,在保证材料力学性能的前提下改善材料的加工性能。结果表明,复合材料组织致密,石墨和SiC颗粒在基体中均匀分布;铸态组织中SiC和石墨颗粒与基体Al合金都未发现界面反应物;随着石墨的体积分数的增大,拉伸强度和弹性模量都下降,但加工性能得到明显的改善。石墨改善切削性能的机制为影响切屑形成机制和石墨对刀具的润滑作用。

2024Al/Gr/SiC_p复合材料耐热性能研究

研究了采用真空热压法制备的2024Al/Gr/SiC_p复合材料高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能,同时对拉伸断口进行分析,探讨了SiC颗粒和石墨对材料耐热性能的影响.结果表明:2024基体合金和2024Al/Gr/SiC_p复合材料在200℃及以下热暴露时,复合材料的强度下降幅度较小,但基体合金的强度下降幅度明显比复合材料的大,这与增强相SiC颗粒与石墨提高了材料的耐热性能有关.在300℃热暴露条件下,2024基体合金和2024Al/Gr/SiC_p复合材料的力学性能快速下降.2024Al及其复合材料的高温拉伸性能随拉伸温度升高而下降,在200℃及以下温度抗拉强度较好,250℃及以上温度抗拉强度快速下降.高温拉伸和热暴露处理后的2024铝合金基体的断裂机制为韧性断裂,2024Al/Gr/SiC_p复合材料的断裂机制为基体韧性断裂及石墨断裂、SiC颗粒与界面分离的混合断裂机制.

热压法制备20%Gr_p/6061Al复合材料及其摩擦磨损特性研究

采用快速升温热压法制备了20%Grp/6061Al(质量分数,下同)复合材料并研究其摩擦磨损特性,通过光学显微镜和SEM分别观察了样品的组织结构及磨痕形貌,采用XRD分析了复合材料的相组成。研究表明:快速升温热压能避免有害的界面反应,得到石墨颗粒分布均匀、界面干净且结合良好的Grp/6061Al复合材料,复合材料具有良好的摩擦磨损性能,T6处理能显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率。在60r/m转速、1N～7N载荷下,复合材料的摩擦系数随载荷的增大而减少,磨损量增大。T6热处理强化了界面结合,有利于石墨膜形成,降低了复合材料的摩擦系数,也显著减少了磨损率。热处理后,复合材料摩擦系数可达到0.16,磨损量平均减幅达50%,采用的最大载荷7N下磨损率可减少到4.7×10-4mm3/m。

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

通过基体晶粒和颗粒分布异质结构的调控协同提升AlN_(p)/Al复合材料的强度-塑性

为了获得优异的强塑性能,采用液固反应结合后续的热机械处理方法制备了3种具有不同微观组织构型的异构AlNp/Al复合材料,详细研究了AlN颗粒分布和基体晶粒组织构型对拉伸强度和塑性的影响。结果表明,复合材料的强度和塑性同时提高。其中,具有较弥散颗粒分布的Uniformed-AlNp/Al复合材料表现出优异的极限抗拉强度(~387 MPa)和断裂伸长率(~9.1%)。与其他文献报道的颗粒增强铝基复合材料相比,该复合材料具有较好的比强度和延展性组合。此外,计算了异质变形诱导(HDI)应力。结果表明,在Uniformed-AlNp/Al复合材料中,HDI应力显著增加。揭示了HDI应力在提高AlNp/Al复合材料的强度和塑性中起着至关重要的作用。

Al-9Gr半固态复合材料摩擦性能的研究

采用机械和电磁复合搅拌法制备了铝-石墨半固态复合材料,研究了石墨的加入对复合材料摩擦性能的影响。结果表明,加入石墨后,Al-9Gr复合材料的主要磨损机制为犁削和剥层破坏;其摩擦因数随着压力的增大而增大,随摩擦时间的增加逐渐减小。在Al-9Gr复合材料摩擦过程中,石墨在摩擦表面分布越均匀,相对应的铝-石墨复合材料的摩擦因数越小。

基于分子动力学模拟的Cu-Zr/Al复合材料的变形行为

采用分子动力学模拟方法研究了Zr含量对Cu/Al层状复合材料拉伸变形行为的影响,使用取代掺杂的方式用Zr取代Cu/Al层状复合材料中的Cu,取代比例分别为0.25%、0.45%、0.65%、0.85%和1.05%。结果表明:随着Zr取代比例的增加,Cu-Zr/Al复合材料的极限拉伸强度和最大拉伸应变呈现波动变化的趋势。当Zr的取代比例为0.85%时,复合材料的极限抗拉强度和最大拉伸应变最大,继续增加Zr的含量则会使极限拉伸强度和最大拉伸应变都减小。随着应变的增加,FCC结构、BCC结构以及HCP结构会发生相互转化,沿Y轴进行拉伸时,初始阶段相结构转变更加明显;随着Zr取代比例的增加,塑性变形过程中复合材料的晶型转变将会推迟进行,Shockley不全位错在塑性变形过程中起主导作用,且沿Y轴拉伸时的位错线长度大于沿Z轴拉伸时的位错线长度,同时由于Zr元素的加入,影响位错的扩散,导致复合材料的位错密度降低,从而提高其强度。

高阻尼6013Al/SiC_p/Gr复合材料中的内耗峰及其阻尼机制

采用喷射共沉积方法制备了6013Al/SiCp/Gr混杂金属基复合材料(MMC),研究了其阻尼性能。结果表明:该材料在150～200℃有一温度内耗峰,随频率增加该峰峰位向高温移动。升降温测得该内耗峰的激活能分别为2.21eV和1.27eV,且降温测试时出现的内耗峰与升温测试时的内耗峰相比,峰位显著向低温移动,峰高降低。分析认为,该峰为非线性弛豫型内耗峰,它是在热与应力的双重作用下,由位错拖曳点缺陷运动所致,符合位错诱生阻尼机制。

Al_4C_3的形成及对Gr-Al-Si复合材料的作用

Al4 C3 的生成会影响Gr Al Si复合材料的界面反应。然而研究证明在原料中少量的Al4 C3 存在 ,有利于提高石墨分布的均匀性 ,又不影响该材料的高温抗拉强度等综合性能。Al4 C3 的形成温度以 5 5 0～ 6 0 0℃为宜。Al4 C3 的含量可用X射线定量分析来确定。

双尺度SiC_(p)增强Al基复合材料的制备及耐磨性研究

采用粉末冶金法制备了双尺度SiC_(p)增强Al基复合材料,SiC_(p)双粒径50μm:10μm的比例分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1及5∶1,添加总含量为20vol%。通过销盘式摩擦磨损试验机对复合材料及对比试样HT300材料的耐磨性能进行了测试,使用SEM、EDS对复合材料及HT300摩擦磨损前后的微观形貌进行了表征,并对复合材料摩擦磨损机理进行了分析。结果表明,SiC_(p)与Al基体界面结合良好,无界面脱粘及孔隙产生。任一碳化硅颗粒粒径配比的SiC_(p)/Al基复合材料的耐磨性能均优于HT300,其中颗粒粒径配比为3∶1时耐磨性能最优,HT300磨损量约为颗粒粒径配比3∶1时的7~13倍。

双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。