SiCp/Al复合材料断裂韧性的影响因素及思考

本文着重阐述了SiCp/Al复合材料断裂韧性的影响因素,其影响因素有增强相的尺寸、形状以及含量,热处理工艺,基体与增强相具有不同的膨胀系数,金属基体的化学成份等,笔者在前人研究的基础上提出了几点设想.

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。

SiCp/Al复合材料焊接综述

为实现SiCp/Al复合材料的高质量可靠焊接,推广SiCp/Al复合材料在各领域的应用,调研了国内外SiCp/Al复合材料不同焊接方法的研究现状。在熔化焊方面,国内外学者通过调整工艺参数、在焊缝中加入Ti元素发生诱发反应等方法,抑制了焊缝中Al4C3针状脆性相的形成,从而提高了焊接接头的力学性能。在搅拌摩擦焊方面,国内外学者针对不同材料设计了专用的焊接搅拌头,以保证它们具备高耐磨性与足够的冲击韧性,在焊接过程中不出现破损情况;关注了焊接过程中焊接头转速、焊接速度、轴向力与热输入等因素,以获得力学性能优秀、晶粒细小均匀的焊接接头。在扩散焊方面,国内外学者探究了中间夹层对焊缝界面间原子相互扩散的促进作用;采取不同工艺参数,以外加超声或电子束表面加热等方式促进了原子间的相互扩散,以获得力学性能优异的焊接接头,提高焊接效率。在钎焊方面,国内外学者通过探究钎料与SiCp/Al复合材料之间的润湿性来组合钎料与钎剂,通过化学腐蚀处理表面暴露颗粒增强相、在复合材料表面电镀金属等方法来增大钎料与增强相的润湿性、解决钎料铺展受阻的问题,以进一步提高钎焊焊接接头质量。

HPT法对SiCp/Al复合材料颗粒断裂的影响

采用高压扭转(HPT)法将SiC颗粒与纯Al粉的混合物固结成金属基复合材料。观察试样的显微组织,并对颗粒的数目、粒径及百分比进行测量,研究HPT法对SiCp/Al复合材料颗粒断裂的影响。结果表明,随着扭转半径增大,颗粒断裂现象严重,颗粒棱角钝化更加明显,颗粒数目增加,粒径减小;随着SiC颗粒体积分数的增加,这种趋势会强化;颗粒断裂现象是高压扭转法制备颗粒增强金属基复合材料的固有属性。

Al-Ag-Cu-Ti反应扩散连接SiCp／2009Al复合材料的接头强度与断裂特性

采用Al-Ag-Cu-Ti中间夹层,在真空条件下对SiCp/2009Al复合材料进行了反应扩散连接。结果表明,中间夹层Ti元素含量、连接温度和保温时间均会影响SiCp/2009Al复合材料连接接头的连接强度;最佳的连接工艺为连接温度550℃、保温时间60min、Ti元素含量3%(质量分数),在最佳的连接工艺下连接强度可达120MPa;SiCp/2009Al复合材料的反应扩散连接接头的断裂是由于焊缝中的金属间化合物成为裂纹源,裂纹在焊缝中扩展导致接头断裂。

SiCp/Al复合材料电阻点焊剪切断口形貌

为了优化SiC p/Al复合材料电阻点焊工艺参数,采用不同焊接电流和焊接时间对SiCp/Al复合材料进行了电阻点焊连接,对接头进行了剪切强度试验,用扫描电镜对不同的点焊剪切断口进行微观形貌分析.结果表明:最优的焊接电流和时间匹配值为焊接电流I=14.6 kA,焊接时间t=0.2 s,配合电极压力F=2 500 N点焊,熔核直径适中,接头拉剪力可达1 693 N;撕开后的焊点断口两侧分别呈规则的圆凸台和圆孔状,呈纽扣型断裂,接头成型良好.当焊接电流和时间的匹配值小于最优参数时,点焊接头只有少量的点形成冶金结合,呈结合面断裂,焊接强度较低;当焊接电流和时间的匹配值大于最优参数时,点焊接头易过热,断口上出现气孔、裂纹、电极粘附烧蚀缺陷,接头强度降低.

SiCp/Al复合材料加工边缘断裂特性分析

应用线弹性断裂力学有限元法计算了SiCp/Al复合材料加工边缘的应力强度因子,定量地表征了工件边缘材料的断裂特性。建立了棱边缺陷形成的力学模型和数学模型。根据断口微观结构特征得出:裂纹的萌生扩展是棱边缺陷形成的主要原因。统计分析了棱边缺陷体积与切削力的二次回归数学模型,获得了棱边缺陷体积随切削力的增加呈非线性单调递增的特性。

Al/SiCp复合材料的断裂行为

采用粉末冶金和喷射沉积方法制备了Al及Al/SiCp复合材料,测试了材料的力学性能,利用金相显微镜和扫描电镜观察了材料的断裂行为。结果表明,Al/SiCp复合材料的强度比基体材料的高,但塑性低。粉末冶金方法制备的Al/SiCp复合材料与喷射沉积方法制备的比较,前者组织更致密,强度更高,塑性更好,断裂是SiC颗粒开裂,裂纹的传递主要沿颗粒中形成的裂纹扩展;后者断裂主要表现为SiC颗粒从基体中拔出,裂纹的传递大多是SiC颗粒周围形成的裂纹在基体中扩展。

基于二维切削的SiCp/Al复合材料表面损伤形成机制研究

目的研究SiCp/Al复合材料切削过程中的表面损伤形成机制。方法以SiCp/Al复合材料为研究对象,展开基于二维切削的仿真和实验研究,建立了包含铝合金2A14、SiC增强颗粒以及界面特性的SiCp/Al切削仿真模型,对作用于不同SiC颗粒部位的材料表面缺陷进行分析;接着利用高速直线电机搭建能映射二维切削条件的实验平台,在不同材料去除条件下,利用扫描电子显微镜和白光干涉仪对切削表面形貌进行测试,分析和验证切削表面损伤形成条件。结果SiCp/Al复合材料切削表面损伤机理取决于SiC颗粒相对刀具切削路径的位置:当刀尖作用在SiC颗粒的顶部时,表面损伤主要为基体撕裂、颗粒破碎;当刀尖作用在SiC颗粒的中部时,表面损伤为颗粒破碎导致的裂纹和凹坑;当刀尖作用在SiC颗粒的底部时,表面损伤为颗粒拔出导致的凹坑。随着切削深度的增大,凹坑逐渐增多,表面粗糙度随之增大。结论利用二维切削模型仿真方法和高速直线电机实验,可以有效研究复合材料切削损伤形成机制。SiC颗粒相对刀具切削路径的位置不同会导致切削损伤不同;SiCp/Al复合材料表面质量会随着切削速度的提升而有所提高。

增强颗粒团聚分布SiCp/Al复合材料切削模拟研究

为了研究增强颗粒团聚分布对SiCp/Al复合材料切削加工过程的影响,建立了三种不同SiC颗粒团聚尺寸比的正交切削有限元模型,并对模型进行了验证。结果表明:随着颗粒团聚尺寸比的增大,锯齿状切屑连续性降低且形状更加不规则,相应地切削力的波动程度、平均值和峰值均增大。颗粒聚集区域的切削应力随着团聚尺寸比的增大而加剧。较大的颗粒团聚尺寸比会导致亚表面损伤深度和最大轮廓峰谷高度增加。

SiCp/Al复合材料在常规与超声振动辅助条件的切削过程和表面形成的有限元分析

SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料,由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高,机械加工性差,常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真,对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明,相比于常规切削,超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性,减少复合材料的亚表面损伤,并且能够提高工件的表面质量。

超声椭圆振动切削SiCp/Al复合材料仿真研究

SiCp/Al复合材料具有优异的物理性能,但颗粒的存在导致其加工困难。颗粒材料的超硬性和耐磨性、加工表面的损伤以及刀具的磨损被认为是该类颗粒复合材料加工的主要障碍。目的 针对SiCp/AI复合材料难加工特性,通过对比常规切削(CC)与超声椭圆振动切削(UEVC)来研究其加工机理,分析两种加工方式下颗粒的损伤对切屑形成以及表面质量的影响。方法 基于Si Cp/Al复合材料的实际微观结构建立切削模型,采用有限元仿真的方法从微观层面展现其切削过程,能够直观呈现两种加工方式下颗粒损伤对切屑形成、刀具磨损以及表面质量的影响,进而预测复合材料在实际加工过程中可能遇到的问题,提出相应的解决方案。结果CC加工为锯齿状切屑,切削过程中主要为颗粒对刀具的两体滑动摩擦以及铝基体粘着摩擦,加工中导致的地下损伤严重。而UEVC加工时切屑易成段分离,切削过程中主要为颗粒对刀具的三体滚动摩擦,切屑根部聚集的颗粒相较CC加工过程较少,弱化了对加工表面的损伤。在两种加工方式下,加工表面存在以下缺陷:颗粒破碎、颗粒凸起、大空腔、凹坑以及沟槽等。结论 总体来说,UEVC加工有利于断屑,导致的损伤缺陷更少,颗粒破损程度更小,能大幅降低切削力,对改善SiCp/Al复合材料加工表面质量有一定效果。

SiCp/Al复合材料直流脉冲点焊核心组织及断裂行为研究

本文对SiC_p/Al金属基复合材料直流脉冲点焊的焊点核心组织进行了研究,主要对焊核SiC颗粒的再分布及其对焊点剪切撕裂行为的影响进行了较深入的探讨。结果表明,SiC_p/Al在采用直流脉冲点焊进行焊接时,焊点核心中的SiC颗粒在电磁搅拌力作用下,向椭圆形核心长轴方向的边界聚集,造成分布不均,致使焊点在剪切撕裂断裂时,断裂发生在富SiC颗粒区与贫SiC颗粒或无SiC颗粒区的交界,以及SiC颗粒数量较少的区域。

高速铣削高体积分数SiCp/Al复合材料表面形貌及切屑机制的研究

为了研究高体积分数SiCp/Al复合材料的切削机理及工件表面形貌,采用PCD刀具对干式切削和水溶性冷却液浇注冷却的湿式切削两种切削条件下的高速铣削进行了研究。结果表明,在对颗粒尺寸大、体积分数高的SiCp/Al复合材料进行高速铣削时,干式切削无论是在工件已加工表面形貌和微观结构,还是在切屑形成及形貌上,都好于湿式切削。两种切削条件下均可获得较理想的表面粗糙度。

SiCp/Al复合材料界面反应研究现状

界面反应研究是碳化硅颗粒增强的铝基复合材料研发中的重要研究方向。各国研究者分别从界面反应规律、影响因素、控制途径等方面展开研究。界面反应规律方面研究了Al合金液与SiC颗粒可能存在的界面化学反应、界面反应过程和界面反应模型、界面上的相等;界面反应影响因素方面研究了界面反应与制备工艺过程、参数的关系;界面反应有效控制途径方面研究了、基体合金化、SiC颗粒表面处理、工艺选择与工艺参数控制等。今后的界面反应研究方向为:界面精细结构的研究;界面反应的化学热力学及动力学研究等。

不同SiCp预处理的SiCp/Al复合材料界面特征及耐蚀性

采用无压渗透法制备了经不同SiCp表面预处理的SiCp/Al复合材料,研究了SiC颗粒表面预处理对SiCp/Al复合材料界面特征及其腐蚀行为的影响。结果表明,高温氧化处理使SiC颗粒边界钝化,颗粒表面形成均匀SiO2氧化膜,复合材料界面结合良好,而未表面处理和酸洗的复合材料界面孔隙多,界面结合较差。经高温氧化SiC颗粒表面预处理的SiCp/Al复合材料耐腐蚀性能最好,酸洗次之,未表面处理最差。高温氧化处理形成的SiO2氧化膜对SiC颗粒起着保护作用,抑制了SiCp/Al界面Al4C3相形成,对复合材料耐腐蚀性能有利。

颗粒失效对SiCp／Al复合材料强度的影响

建立复合材料屈服强度综合模型用于分析研究增强颗粒断裂和基体与颗粒的界面脱粘对SiCp/Al复合材料强度的影响;用Eshelby等效夹杂理论分析SiCp/Al复合材料受载时作用在SiC颗粒上的应力,并假设SiC颗粒失效符合Weibull分布,在综合考虑复合材料各种强化机制的基础上引入颗粒断裂和界面脱粘对材料屈服强度的影响,建立SiCp/Al复合材料的屈服强度模型并对模型进行解析。研究结果表明:SiCp/Al复合材料屈服强度随着SiC颗粒含量增加而增加;当颗粒粒度为微米级时,屈服强度随着粒度的减小而增加;在屈服状态下,当颗粒粒度较小时,复合材料的颗粒失效以界面脱粘为主;随着粒度的增大,颗粒的断裂分数迅速增大,颗粒失效则转变为由颗粒断裂和界面脱粘共同控制。

SiCp/Al电子封装复合材料的现状和发展

随着微电子技术的高速发展,SiCp/Al作为新型的电子封装材料受到了广泛的重视。根据近年来报导的有关资料,对SiCp/Al电子封装复合材料的性能、制备工艺及应用发展进行了综述,并指出了未来的研究方向。