SiC/AZ91D复合材料中孔隙缺陷对裂纹萌生和扩展行为的影响

采用内聚力模型及有限元分析方法,在含真实形貌SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料中引入孔隙缺陷,分析不同孔隙率及孔隙形状在单轴拉伸过程中对SiC/AZ91D复合材料力学行为的影响。结果表明:孔隙长径比为1时,孔隙率为0%、0.5%、1.0%、1.5%的复合材料的抗拉强度分别为351.214 MPa、339.452 MPa、325.735 MPa、306.791 MPa,抗拉强度随孔隙率的增加逐渐降低,复合材料中裂纹萌生和裂纹扩展时间均随孔隙率增加而提前。孔隙长径比越大,其尖端部位应力集中越严重,复合材料抗拉强度也越低。无孔隙缺陷的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制是颗粒与基体交界处萌生微裂纹,微裂纹相互连接形成主裂纹绕开颗粒进行扩展致使材料断裂,含孔隙的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制为微裂纹在孔隙周围萌生,与颗粒和基体交界处产生的微裂纹相互连接,汇集成主裂纹绕开颗粒扩展使材料断裂。

基于三维微观结构的SiC/AZ91D复合材料单轴拉伸过程中裂纹萌生扩展机制

为避免基于线弹性力学对裂纹问题模拟时,需要在试件中预制裂纹且在裂纹尖端存在奇异性的弊端,提出在颗粒界面引入内聚力单元来模拟研究SiC/AZ91D镁基复合材料在单轴拉伸情况下裂纹萌生扩展机制,提供一种解决裂纹扩展问题的新手段。结果表明:SiC颗粒的引入能够有效阻挡裂纹的萌生扩展,颗粒体积分数增加或者颗粒尺寸的增加均会加速复合材料的裂纹扩展过程,降低其伸长率,与试验情况吻合较好;SiC/AZ91D镁基复合材料拉伸过程中裂纹萌生扩展机制是颗粒与基体交界处萌生裂纹,微裂纹相互连接形成主裂纹,并绕开颗粒进行扩展致使材料断裂。

团聚颗粒对SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生和扩展行为影响的研究

基于复合材料真实微观结构,在颗粒与基体界面引入内聚力单元,建立了4种不同颗粒团聚分布的有限元模型(均匀分布、三处团聚、两处团聚和一处团聚),研究了颗粒团聚对SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生和扩展机制的影响。结果表明:当裂纹萌芽时,应力在基体中分布很不均匀,最大应力值出现在颗粒群尖角处,颗粒团聚程度越严重,裂纹萌生最大应力值越大;当裂纹扩展时,颗粒团聚程度越严重,基体内最大应力值越大,裂纹扩展程度越高;当裂纹完全断裂时,随着颗粒团聚程度的加剧,颗粒应力最大值逐渐增加,而基体应力最大值变化不大。颗粒团聚加速裂纹萌生扩展过程,颗粒应均匀分布于基体中。复合材料裂纹萌生扩展机制是由于SiC颗粒群边界和尖角处应力集中严重,导致基体损伤,萌生微裂纹,微裂纹沿着切应力最大方向扩展汇集成主裂纹。

SiC/AZ91D镁基复合材料单轴拉伸过程中裂纹萌生扩展机制

利用Abaqus有限元分析软件研究了不同体积分数和不同形状颗粒的SiC/AZ91D镁基复合材料在单轴拉伸下的裂纹萌生、扩展以及断裂机制。结果表明,圆形颗粒SiC/AZ91D镁基复合材料的屈服强度为248 MPa,正方形颗粒SiC/AZ91D镁基复合材料的屈服强度为190 MPa,原始形状颗粒镁基复合材料的屈服强度为210 MPa。颗粒体积分数为10%、15%和20%的复合材料裂纹断裂时间分别在施载后的第40、第33和第31μs。圆形颗粒复合材料的裂纹扩展机制是基体损伤萌生的裂纹扩张导致材料断裂,而正方形颗粒复合材料和原始形状颗粒复合材料的裂纹扩展机制是颗粒与基体交界处萌生裂纹,导致主裂纹形成并产生次生裂纹扩张直至材料断裂。

SiC_(p)/AZ91D镁基复合材料中SiC_(p)颗粒分散情况的无损检测方法

SiC_(p)/AZ91D镁基复合材料在航空航天领域应用较为广泛,但由于国内外对于超声波检测方法研究SiC_(p)/AZ91D镁基复合材料中SiC_(p)颗粒分布情况鲜见报道。本工作通过挤压铸造法,制备体积分数分别为0%,2%,4%和6%的SiC_(p)颗粒增强镁基复合材料。为了研究复合材料中颗粒分布情况,本工作采用超声声速法、超声衰减法、超声波特征扫描成像检测及非线性超声检测方法对SiC_(p)颗粒分散性进行研究。探索各种声学参量随SiC_(p)体积分数的变化关系及不同的检测方法对SiC_(p)颗粒分布情况检测能力的差异,并进行实验验证。结果表明:超声特征扫描检测及超声速度法能够定量检测SiC_(p)宏观团聚,超声衰减法对表征微观团聚和宏观团聚都能达到一个很好的效果,非线性超声检测方法对于检测SiC_(p)微观团聚更为敏感,颗粒不均匀时对力学性能影响最为突出,抗拉强度大大降低。

热处理对搅拌铸造Ti_(p)/AZ91 D镁基复合材料组织与力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射和显微硬度及室温拉伸力学性能测试等方法,分析研究了固溶、时效热处理对搅拌铸造Ti_(p)/AZ91D复合材料(体积分数4.0%,平均粒径6.5μm)的微观组织和力学性能的影响规律。结果表明,400℃固溶热处理时,Tip/AZ91D复合材料的固溶时间为2 h,比基体AZ91D合金缩短8 h,原因是复合材料组织中的共晶β-Mg17Al12相比基体合金中的较细小、弥散,更快溶解进入α-Mg基体相。在168℃时效热处理时,复合材料中的Ti颗粒界面促进β相析出,使其峰值时效时间只需16 h,比基体合金缩短一半。经过固溶时效热处理后,复合材料的屈服强度和抗拉强度分别达到150 MPa和217 MPa,比基体合金均有所提高。

SiC_p/AZ91D复合材料真空压力浸渗制备工艺及微观组织的研究

采用真空压力浸渗装置制备SiCp/AZ91D复合材料。对制备工艺进行了改进,提出了以SiC颗粒覆盖法保护镁合金熔体的措施,可以有效解决熔剂覆盖法易造成的熔剂夹杂问题;在压力0.4MPa、浸渗温度700℃、保压5min的条件下,制备SiC单一颗粒尺寸为5μm、体积分数为44.7%的SiCp/Mg复合材料;并且成功制备32μmSiC单一颗粒体积分数为56.4%的SiCp/AZ91D复合材料。经过光镜、扫描电镜和X射线衍射仪分析表明,采用SiC颗粒覆盖法制备SiCp/AZ91D复合材料组织致密、无明显孔洞及夹杂等铸造缺陷,有新相Mg2Si生成。

(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的组织及性能

采用微波烧结制备了(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料,研究了不同体积分数(SiC+B4C)p(0%、5%、10%、15%、20 vol%)对复合材料组织及性能的影响。结果表明:(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的组织主要由α-Mg、SiC、B4C、Mg17Al12和少量MgO等组成。随着(SiC+B4C)p含量的增加,(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的相对密度减小,显微硬度增加,而抗压强度先增后降,当(SiC+B4C)p含量为15%时达到最大值。15%(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的显微硬度和抗压强度分别达到196.16 HV0.025和326.3 MPa,相对于未添加(SiC+B4C)p的AZ91D材料分别提高了145%和120%。随着(SiC+B4C)p含量的增加,复合材料的耐磨性先提高后降低,磨痕由清晰的犁沟形貌逐渐模糊,磨损机制由磨粒磨损转变为剥层磨损。

基于SiCp/AZ91D复合材料真实微观结构建立的简化模型

本文基于SiCp/AZ91D复合材料的SEM图建立了具有其真实微观结构特性的有限元模型,并以此为基础再次建立了具有同等颗粒体积分数、分布规律,长宽比为2:1的长方形简化模型。通过对两种模型进行相同的有限元拉伸模拟实验,研究发现,该简化模型对于SiCp/AZ91D复合材料的有限元拉伸实验,能够起到简化建模的作用,其实验数据与原始模型具有很高的相似度。

Al_2O_3-SiO_2/AZ91D镁基复合材料的挤压浸渗制备工艺及微观组织和界面的研究

采用挤压浸渗法制备Al2O3-SiO2/AZ91D复合材料。改进制备工艺,利用价格低廉且来源广泛的硅酸铝短纤维作增强体,用磷酸铝作黏结剂制得预制体。在预制体温度660℃、模具温度560℃、浇注温度760℃和压力30～50MPa下,通过挤压浸渗工艺制备AZ91D镁基复合材料。采用光学显微分析、XRD衍射分析、SEM扫描分析等方法研究该复合材料。结果表明,镁与磷酸铝黏结剂反应后在界面上生成一定数量的MgO颗粒和少量的MgAl2O4颗粒,致使硅酸铝增强纤维和镁合金基体之间形成较强界面结合。复合材料组织致密、无明显孔洞及夹杂等铸造缺陷。其界面上的反应产物主要有MgO、MgP4。

Al2O3-SiO2／AZ91D镁基复合材料的制备及其性能研究

采用硅酸铝纤维和镁合金制备出结构紧密的Al2O3-SiO2／AZ91D镁基复合材料。介绍了复合材料的制备工艺，适宜的挤压铸造工艺为：基体温度650℃、模具温度550℃、浇注温度760℃和压力30～50MPa。XRD、SEM、EDS和光学金相显微镜OM等分析结果表明：复合材料主要由Mg、β-Mg17Al12、MgO、AlPO4、3Al2O3·2SiO2和Mg2Si等结晶相组成；镁与硅酸铝纤维反应生成MgO和汉字状Mg2Si等产物；基体镁与硅酸铝纤维的界面形成比较紧密的结合层。与镁合金相比，复合材料的硬度和油摩擦性能有较大提高。

高密度脉冲电流下Cu-SiC_p/AZ91D复合材料的组织及力学性能分析

研究了高密度脉冲电流(EP)下Cu-SiCp/AZ91D复合材料凝固组织的细化机理。分析了EP对Cu-SiCp/AZ91D复合材料组织演化及力学性能的影响。结果表明:施加EP后深灰色基体与浅灰色枝晶形成的网状组织变得浓密,晶粒细化显著。Mg2Si相沿β-Mg17Al12枝晶下方生长,Mg2Si周围组织由浅灰色α-Mg和Al4C3混合组成,同时伴随少量Cu在枝晶上方,β-Mg17Al12枝晶减少。添加Cu-Si Cp颗粒后AZ91D镁中β-Mg17Al12的衍射峰消失,Mg2Si相的衍射峰得到增强。施加EP可以有效抑制Si Cp偏聚,使Si Cp能与熔体一起处于均匀混合状态。添加Cu-SiCp后,材料的力学性能得到明显提升,但伸长率却降低。Cu-SiCp/AZ91D具有更致密的断口组织,EP作用下,Cu-SiCp/AZ91D断口韧窝更加细小。添加Si C颗粒后基底硬度发生较小幅度的提升;施加EP后,硬度得到明显的提升。

滑动速度对Al_2O_3-SiO_(2(sf))/AZ91D复合材料磨损性能的影响

以硅酸铝短纤维作为增强体,以磷酸铝作为预制体高温粘结剂,采用挤压浸渗法制备出硅酸铝短纤维体积分数分别为15%、20%、25%和30%的镁基复合材料。利用MM200磨损试验机,分别在10、20、30、40、50N的外加载荷及0.47m/s和0.94m/s速度条件下,与硬度(HRC)为53的20Cr对磨环在干磨条件下进行对磨,考察了滑动速度对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料试样磨损量的影响,并通过扫描电镜对试样摩擦表面进行了形貌观察和分析。结果表明,滑动速度的变化对复合材料试样磨损量的影响比对AZ91D基体合金试样磨损量的影响更大更复杂,这种影响趋势既因复合材料体积分数的变化而不同,同时取决于外加载荷的大小。

SiC颗粒增强AZ91基复合材料拉伸性能研究

针对风力发电机组摩擦材料对性能的要求,在不同的温度下,成功制备出了SiC颗粒增强的AZ91镁合金基复合材料,并且对其拉伸性能进行研究。结果表明,SiCp/AZ91复合材料的抗拉强度高于AZ91基体镁合金;在同样的烧结温度下,直径较小的SiC颗粒对复合材料的抗拉强度提高幅度较大。

钇对Mg_2Si/AZ91D复合材料中Mg_2Si相变质的影响

研究了不同含量的钇对Mg2Si/AZ91D复合材料中Mg2Si相形貌的影响。结果表明:Y对Mg2Si/AZ91D复合材料中共晶Mg2Si有明显的细化变质效果,合金液经0.8%Y变质后,共晶Mg2Si相由粗大的树枝状或汉字状转变为颗粒状。在1.2%添加范围内,随Y加入量的增加,对共晶Mg2Si相的细化变质效果增强,未出现过变质现象。固溶处理能使Mg2Si/AZ91D复合材料中枝状或汉字状Mg2Si发生部分溶解,并依靠原子扩散自发粒状化,Y的细化变质能促进Mg2Si相固溶处理时的粒状化。

Al_2O_3-SiO_(2(sf))/AZ91D复合材料的摩擦磨损性能

以硅酸铝短纤维作增强体,以磷酸铝作为预制体高温粘结剂,采用挤压浸渗法制备镁基复合材料。利用MM200磨损试验机,分别在10、30、50N的外加载荷和0.47和0.94m/s条件下,与硬度(HRC)为53的20Cr对磨环在干态条件下进行对磨,结果表明,在0.47m/s的滑行速度和10、30N的外加载荷条件下,复合材料的磨损机制基本上是单一的磨粒磨损;在0.47m/s的滑行速度和50N外加载荷条件下,复合材料在磨粒磨损的基础上附带有轻微的剥落磨损;在0.94m/s的滑行速度和50N外加载荷条件下,复合材料的摩擦磨损机制是以磨粒磨损为主并辅以轻微粘着磨损的复合磨损,此时,复合材料表现出相对较好的摩擦磨损性能。

Al_2O_3-SiO_2/AZ91D镁基复合材料制备及界面反应机理研究

采用硅酸铝纤维和镁合金制备出结构紧密的Al2O3-SiO2/AZ91D镁基复合材料。介绍了复合材料的制备工艺,适宜的挤压铸造工艺为预制体温度650℃、模具温度550℃、浇注温度760℃和30～50MPa压力。XRD、SEM、EDS和光学金相显微镜OM等分析结果表明,复合材料主要由Mg、β-Mg17Al12、MgO、AlPO4、3Al2O3·2SiO2和Mg2Si等结晶相组成;镁与硅酸铝纤维反应生成MgO和汉字状Mg2Si等产物;基体镁与硅酸铝纤维的界面形成较紧密的结合层。

铋含量对原位自生Mg_2Si/AZ91D复合材料组织与性能的影响

制备原位自生Mg_2Si/AZ91D复合材料,研究铋变质剂含量对复合材料组织与力学性能的影响。结果表明,加入铋变质剂后,原位自生Mg_2Si/AZ91D复合材料中初生相Mg_2Si由粗大的树枝状变成细小的多边形状和颗粒状,共晶相Mg_2Si由汉字状变成短棒状和蠕虫状,Mg17Al12相由连续网状分布变成弥散板条状分布。铋含量为0.8%时,初生相Mg_2Si最细小,平均晶粒尺寸为13μm,比未变质时减小了81%。铋含量为0.8%时Mg_2Si/AZ91D复合材料力学性能最佳,抗拉强度和延伸率分别为290 MPa和6.7%,比未变质时分别提高25.5%和109%。

Al_2O_3-SiO_2/AZ91D镁基复合材料的制备及其性能研究

采用硅酸铝纤维和镁合金制备出结构紧密的Al_2O_3-SiO_2/AZ91D镁基复合材料。适宜的挤压铸造工艺为:预制体温度650℃、模具温度550℃、浇注温度760℃和压力30～50 MPa。XRD、SEM、EDS和OM等分析结果表明,复合材料主要由Mg、β-Mg_(17)Al_(12)、MgO、AlPO_4、3Al_2O_3·2SiO_2和Mg_2Si等结晶相组成;镁与硅酸铝纤维反应生成MgO和汉字状Mg_2Si等产物;基体镁与硅酸铝纤维的界面形成比较紧密的结合层。与镁合金相比,复合材料的硬度和油摩擦性能有较大提高。

保温时间对Al_2O_(3f)/AZ91D复合材料抗拉强度的影响

采用熔体浸渗法制备了Al2O3f/AZ91D复合材料,并利用光学显微镜、SEM、XRD等手段对其成分、组织及保温时间与抗拉强度之间的关系进行了研究。结果表明,Al2O3f/AZ91D复合材料组织中有硬脆相Mg2Si生成;保温40min时复合材料的抗拉强度较基体合金略有增强;随着保温时间的延长,材料组织中的Mg2Si相大量增加,从而使复合材料的抗拉强度下降。