制动盘用SiCp/A357铝基复合材料摩擦磨损性能研究

采用搅拌铸造法制备SiCp含量分别为0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%、40 wt%的SiCp/A357铝基复合材料(SiCp/A357复合材料)。在MVF-1A摩擦磨损试验机上以45#钢为对磨材料,研究SiCp含量对SiCp/A357复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电镜(SEM)对SiCp/A357复合材料磨损表面观察分析。结果表明:加入SiCp可细化基体晶粒,降低SiCp/A357复合材料孔隙率,相比于A357基体铝合金材料,40 wt%SiCp/A357复合材料的硬度提高了70.3%,可达155HBW。SiCp/A357复合材料的平均摩擦系数和磨损率均随SiCp含量的增加呈现先下降后上升的趋势,当SiCp含量为20 wt%时,达到最低的平均摩擦系数0.420和最低的磨损率4.15×10^(-3)g·m^(-3)。在60 N负载下,A357基体铝合金材料的磨损机制以粘着磨损为主,随着SiCp含量增加,SiCp/A357复合材料的磨损机制转变为以磨粒磨损(20 wt%SiCp/A357)与剥层磨损(40 wt%SiCp/A357)为主。

SiCp_A356复合材料制动盘应力场数值模拟与热疲劳寿命预测

以新型颗粒增强铝基复合材料(SiCp_A356)制动盘为研究对象,在试验研究SiCp_A356复合材料常、高温力学本构关系和低周疲劳寿命曲线的基础上,系统地对制动过程中SiCp_A356复合材料制动盘的瞬态温度场、应力应变场以及热疲劳寿命预测方法进行研究。运用热弹塑性有限元分析模型,进行制动盘的多线性随动强化热弹塑性应力应变场数值模拟,结合制动盘载荷特点给出制动盘的疲劳―蠕变损伤分析和寿命预测模型,为高速客车轻型制动盘的结构设计和工程应用提供了参考。

制动过程中Al-Si/SiCp复合材料制动盘表面温度的计算

为了研究摩擦过程中制动盘摩擦表面温升的情况,在1∶1惯性制动实验研究的基础上,基于制动过程中摩擦热流强度的变化,建立了制动时制动盘传热模型,推导出了制动盘摩擦表面温度的计算公式,并用此公式算出的结果与实测温度进行了对比.结果表明:其理论计算结果与实验结果能够很好地吻合.

温度对铸态SiCp/A356复合材料滑动摩擦磨损特性的影响

以Al2O3陶瓷球为对偶材料,借助UMT-2摩擦磨损试验机详细研究温度变化对复合材料干滑动摩擦磨损特性的影响,并用SEM、EDS、奥林巴斯激光共焦扫描显微镜分析铸态SiCp/A356复合材料的高温摩擦磨损行为。结果表明:复合材料的磨损率对温度变化很敏感,在200℃以下,磨损率及其变化较小,以氧化磨损机制为主,属于轻微磨损;当温度达到250℃及以上时,磨损率开始急剧上升,磨损表面出现严重塑性流动痕迹,磨损面上出现磨屑粘着堆积的凸起,同时形成大量的大尺寸的磨屑,此时以粘着磨损机制为主,同时存在少量的氧化磨损。氧化磨损阶段,摩擦因数虽有变化,但相对稳定;但粘着磨损阶段,摩擦因数变得极度不稳定,出现尖锐的峰值。

SiCp_A356复合材料变温下的力学行为

试验研究了SiCp_A356复合材料在变温条件下的力学行为．结果表明，SiCp_A356复合材料的屈服强度、拉伸强度和弹性模量随温度的升高明显下降．在20℃～150℃之间，表现为循环硬化，且硬化程度随温度升高而减弱；在200℃～300℃之间，表现为循环软化，且软化速率随温度升高不断增大．而松弛行为与一般金属材料通常具有的基本特征相似．在此基础上，建立了适用于制动盘结构分析的热弹塑性-蠕变本构模型，为进行制动盘应力应变场数值模拟和预测寿命提供了前提和基础．此外，还对SiCp_A356复合材料的微观断裂机制进行了分析。

SiC_p/Al复合材料制动盘的温度场仿真分析

基于ABAQUS有限元仿真软件建立制动盘摩擦副的三维模型,研究在紧急制动时不同工况下两种高体积分数SiCp/Al复合材料制动盘温度场的分布特点和变化规律,并与铸铁制动盘和锻钢制动盘的计算结果分析;将仿真与文献试验结果对比,验证仿真模型建立的准确性。结果表明:同种工况下,与铸铁和锻钢材料制动盘相比,SiCp/Al复合材料制动盘整体温度较低,温度场分布更均匀,有利于减少制动盘上热裂纹的萌生和扩展,提高制动盘的抗热衰退性。仿真结果与文献试验结果总体趋势一致,证明仿真模型可行。

SiC_p/A356制动盘铸造成形工艺设计和缺陷预测

SiCp/A356复合材料制动盘具有轻质低噪长寿命等突出优点,在城市轨道列车基础制动系统中具有广阔的应用前景。但SiCp/A356复合材料铸造性能较差,成形过程中极易形成气孔、缩孔缩松及裂纹缺陷。本文利用ProCAST凝固模拟软件对制动盘的金属型真空调压成形工艺进行仿真分析,基于流场、缩孔缩松、凝固时间及固相率等结果,确定了制动盘内部成形质量良好的浇注系统设计和浇注工艺参数,成形了内在质量完好的SiCp/A356制动盘。

高速列车制动盘SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料的热疲劳性能研究

通过SiCp／A356颗粒增强复合材料切口试样在20℃-300℃循环下的热疲劳试验，获得热疲劳裂纹形成寿命与试样切口半径及厚度等几何尺寸的关系。采用热弹塑性有限元法模拟热疲劳试验中试样切口根部的应力．应变响应，进而揭示出残余应力形成机制。结合热疲劳试验的裂纹形成寿命与有限元模拟的应力．应变响应，建立起考虑平均应力影响的热疲劳应变寿命曲线，为高速列车SiCp／A356颗粒增强复合材料制动盘的热疲劳性能评价提供依据。

铝基制动盘的材料黏度影响因素分析

基于半固态技术为基础的SiCp/A357铝基复合材料制动盘制造方法,并对半固态的SiCp/A357复合材料的表观黏度及其影响因素进行了研究。分别制备了含有10%SiCp和20%SiCp的两种SiCp/A357复合材料,并与A357合金进行了对比研究。试验结果表明,半固态的A357合金和SiCp/A357复合材料的表观黏度均随半固态浆料中固相成分占比的增大而增大,随着剪切率的增大而降低,增加SiCp可以优化合金中的主要成分-Al,进而细化晶粒。基于研究成果,通过精确控制浆料黏度,可以获取SiC颗粒分布相对均匀的SiCp/A357铝基复合材料组织。

基于多尺度制动试验的制动噪声特性及仿真分析方法

为阐明SiCp/A356复合材料制动盘与合成闸片摩擦副在制动过程中出现异常噪声的原因,通过多尺度台架制动试验的噪声测试与复特征值分析的仿真方法,研究了不同摩擦副制动噪声的特征及产生机理。结果表明:同等工况下2种SiCp/A356复合材料摩擦副的声压级(sound pressure level,SPL)均低于蠕墨铸铁摩擦副;SiCp/A356复合材料制动盘与合成闸片摩擦副啸叫噪声的主频集中在2.20 kHz附近,最高SPL可达110 dB;不同摩擦副的摩擦面具有不同程度的表面划伤、材料转移和剥离现象,从而导致制动噪声出现差异性;摩擦面的温升越高,越容易破坏摩擦面状态,进而诱发制动啸叫;制动能量输入越大,高温连续制动的次数越多,啸叫SPL越大,啸叫越严重。复特征值分析能预测制动噪声出现的倾向性,闸片是产生制动噪声的主要因素,摩擦面制动温升及其表面状态是制动噪声的主要影响因素。