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。

中高体积分数SiC_p/Al复合材料的力学性能及强化机制

采用热等静压粉末冶金工艺,以2024和6061铝合金为基体,分别制备体积分数为35%,45%,55%的中高体积分数SiC_(p)/Al复合材料。探究基体合金与SiC体积分数对复合材料力学性能的影响。结果表明:相同体积分数时,以2024铝合金为基体的复合材料具有更高的弯曲强度和弹性模量;但以6061铝合金为基体的复合材料则呈现出了更高的断裂应变。随着体积分数的增加,两类复合材料力学性能的变化规律相同,弯曲强度呈先增大后减小的趋势,当体积分数为45%时达到峰值,分别为656.54 MPa和548.00 MPa;弹性模量呈持续上升趋势,当体积分数为55%时分别达到202 GPa和188 GPa。基体合金差异对力学性能的影响在体积分数较低时更为明显,提高体积分数将会弱化这种差异。结合理论公式计算发现,对于微米级的增强体颗粒,Orowan机制带来的强化效应极小,可忽略不计;其他各类强化机制的强化效果将随着增强体体积分数的增加呈现不同程度的提高;几何必须位错强化和热错配强化对材料屈服强度的贡献始终占据主导地位。

SiCp/Al复合材料的离心熔渗法制备及其性能

研究了反应离心熔渗法制备高体积比SiCp/Al复合材料的工艺过程及其抗弯强度。结果表明 :通过适当的粒度配比 ,可在低温、低离心力下熔渗制备组织均匀的高体积比SiCp/Al复合材料 ,SiC颗粒体积分数可达到 63 % ;复合材料的强度在很大程度上依赖于SiC颗粒尺寸及界面反应程度 ,合适的界面结合及细SiC颗粒的掺入有利于复合材料强度的提高 ;基体热处理改变了SiC颗粒所受应力状态 ,提高了复合材料的强度 ,其最高值可达 5 19MPa。

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。

碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结法制备SiC颗粒体积分数分别为20%、25%和30%的SiCp/Al-30Si复合材料。利用扫描电镜对复合材料的微观组织进行表征,并检测其力学性能及物理性能,运用Turner、Kerner理论模型对材料的热膨胀系数进行计算,分析碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织及性能的影响。研究结果表明:随SiC含量的增加,复合材料的组织中会出现SiC颗粒的团聚,使材料的致密度及抗拉强度下降,在50～100℃之间的热膨胀系数降低,其平均值与Kerner模型计算值很接近。

磨削高体积分数SiCp/Al复合材料表面形成机制

针对高体积分数SiCp/Al复合材料精密加工问题,研究了磨削加工高体积分数SiCp/Al复合材料表面形貌的形成机制.使用金刚石砂轮在干式和湿式两种磨削条件下对高体积分数SiCp/Al复合材料进行磨削实验研究,通过表面粗糙度仪对表面粗糙度进行测量,运用扫描电镜对磨削加工的表面形貌进行观测研究.结果表明:该材料磨削表面的主要缺陷为SiC颗粒拔出、破碎、压入和Al基体的涂敷等,SiC颗粒的破碎和脱落是磨削加工该材料表面形成的主要机制.两种磨削条件下工件进给速度对表面粗糙度的影响比磨削深度更显著,湿式磨削无论是在工件已加工表面形貌和微观结构还是表面粗糙度上都好于干式磨削.

铣削方式对高体分SiCp/Al复合材料薄壁件高速铣削表面质量影响研究

应用聚晶金刚石(PCD)刀具对高体分SiCp/Al复合材料薄壁件进行了高速铣削实验。在不同铣削速度下,研究了顺、逆两种铣削方式对薄壁件高速铣削的表面粗糙度及表面形貌的影响,提出了不同铣削方式下已加工表面的形成机理,揭示了铣削方式和铣削速度对试件切入部、中部和切出部处表面粗糙度的影响规律。结果表明:在相同的切削用量和刀具几何参数下,顺铣加工的表面粗糙度小于逆铣,且顺铣加工表面粗糙度的变化幅度小于逆铣;薄壁件在切出部的表面粗糙度大于中部和切入部的表面粗糙度;顺铣时已加工表面的形成以切削层金属的滑移为主,材料内部SiC颗粒的滑移、刻划造成已加工表面沿刀具进给方向的微观沟痕;逆铣时已加工表面主要由后刀面的挤压、摩擦作用形成;宏观上顺铣的已加工表面存在由残留面积高度形成的平行于刀具轴线方向的残留痕迹,而逆铣这一特征则不明显。

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。

颗粒体积分数对高压扭转的SiCp/Al基复合材料拉伸性能影响

基于高压扭转法制备SiCp/Al基复合材料,采用金相显微镜、室温拉伸性能测试实验并结合断口扫描电镜观察,研究颗粒体积分数对SiCp/Al基复合材料的显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:SiC颗粒体积分数越大,剪切应变量越小,SiC颗粒分布越不均匀,团聚越严重。试样抗拉强度和屈服强度随SiC颗粒体积分数的增加而增加,但塑性降低。拉伸断口韧窝尺寸大小不一。高压扭转的SiCp/Al基复合材料断裂属于韧性断裂与脆性断裂混合模式,但随着SiC体积分数越小,材料断口的韧窝和撕裂棱越多,韧性断裂特征变得更为显著。

工件材料特性对SiCp／Al复合材料高速铣削加工性的影响

使用聚晶金刚石刀具(PCD),在切削速度为1 200 m/min下,研究了增强颗粒体分比与尺寸、热处理状态和冷却方式等对SiC p/2009Al复合材料高速铣削加工性的影响。结果表明:减小体分比或使用冷却液有助于明显改善SiC p/2009Al复合材料高速铣削加工性。材料经热处理后,加工表面质量明显提高,但切削力显著增大、刀具耐用度明显降低、切屑锯齿形更加明显。体分比一定时,在一定程度范围内增大增强颗粒尺寸有助于降低切削力和切削温度、延长刀具耐用度,但加工表面质量有所下降。

高体积分数SiCP／Al复合材料的细观结构设计及性能研究

根据细观结构设计理论,采用高压制粒-低压浸渗方法制备了铝颗粒增韧的SiCP-Al/Al复合材料(SiC在SiCP-Al团聚颗粒中的体积分数为62%,其总体积分数则为55%),并研究了其硬度、强度及韧性等机械性能。结果表明,SiCP-Al/Al复合材料与普通55%SiCP/Al复合材料相比,断裂韧性略有提高,硬度提高50%左右;与普通62%SiCP/Al复合材料相比,韧性提高33.7%。

高体积分数SiCp/Al复合材料高速铣削力影响因素研究

通过PCD刀具高速铣削高体积分数SiCp/Al复合材料试验,研究了铣削速度、进给量、铣削深度和铣削宽度对三向铣削分力的影响,并进行了SiCp/Al复合材料基体材料的铣削力对比。研究结果表明,进给量和铣削深度对三向铣削分力的影响较大,而铣削速度和铣削宽度对三向铣削分力的影响较小,并且SiC颗粒增加了材料的强度,使三向铣削分力数值增大。在只考虑控制铣削力大小的情况下应选取适中的铣削参数,如铣削速度、较大的铣削宽度和较小的进给量及铣削深度。

SiCp/Al基复合材料的高压扭转试验

采用高压扭转(high-pressure torsion,HPT)工艺制备SiCp/Al基复合材料,试验发现随着扭转半径的增加,剪切应变增大,SiC颗粒分布逐渐均匀;升高温度,SiC颗粒分布的均匀性好;随着扭转半径的增加材料的硬度先增加后减小,且材料越致密,SiC含量越多,分布越均匀,材料硬度越高。

高体积分数SiCp/Al复合材料高温压缩界面研究

采用无压浸渗制备出高体积分数SiCp/Al多功能复合材料。对该复合材料进行了高温(高于基体熔点)压缩实验。利用XRD和TEM观察了SiCp/Al复合材料的界面结构,分析了高温压缩对复合材料界面的影响,研究了复合材料的复合机理。结果表明:高温压缩后的SiCp/Al复合材料的界面过渡层连续且厚度均匀,过渡层宽度减小了一个数量级;复合材料SiCp/Al界面结合机制包括扩散、位向和反应结合机制,复合材料SiCp/Al界面的这些结合机制,导致了增强相与基体之间很强的界面结合;复合材料的断裂方式为颗粒断裂,SiC增强颗粒与Al基体结合良好。

高体积分数SiCp/Al复合材料的研究现状

从高体积分数SiCp/Al复合材料的制备工艺、性能和应用等方面综述了其国内外研究现状,并指出其今后研究亟待突破的重点与难点。

数值模拟SiCp/Al复合材料的微观结构对力学性能的影响

本文运用有限元法模拟了SiC颗粒体积分数和颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料弹性模量、屈服强度、延伸率的影响。为了建立与真实显微结构相似的复合材料模型,假定任意尺寸的SiC颗粒随机地分布在SiCp/Al复合材料中。计算结果表明:SiC颗粒体积分数对复合材料的力学性能的影响更加显著。随着体积分数的增加,SiCp/Al复合材料的弹性模量和屈服强度逐渐增加;而其延伸率会相应降低。其应力应变曲线由韧性材料的特性向脆性材料的特性逐渐过渡。相反,当平均颗粒尺寸在一定的范围内变化时,颗粒尺寸对其应力-应变曲线的影响并不显著。

SiCp/Al复合材料高速铣削的有限元仿真研究

运用有限元分析软件ABAQUS建立了三维斜角铣削模型,对SiCp/Al复合材料的的高速铣削过程进行模拟。首先分析了切削过程中SiCp/Al复合材料的应力、应变的分布规律,然后分析了不同等效切削厚度对切屑形状和温度场的影响,最后分析了切削参数对切削力的影响规律。铣削过程的有限元模拟为SiCp/Al复合材料高速铣削加工的工艺参数优化、刀具参数的合理选择提供了参考。

SiCp/Al复合材料薄壁件高速正交车铣切削力的仿真研究

把正交车铣方法应用到复合材料薄壁件的加工中,使用ABAQUS有限元仿真软件,建立了Si Cp/Al复合材料车铣薄壁件的仿真模型,通过高速正交车铣仿真实验研究了切削速度、工件转速、进给量和切削深度对切削力的影响规律。仿真实验得出切削深度对切削力影响最大,随切削深度的增加车铣切削力明显增大,因此该因素的参数选择在切削加工中应着重考虑;而其它三个因素对切削力的影响次之且影响程度相当,切削力变化趋势一致,都是随各因素参数增加而略有增大。

SiC粒径比及体积比对SiCp/Al-5Si-2.5Mg复合材料组织及性能影响

采用放电等离子烧结技术制备60 vol%SiCp/Al-5Si-2.5Mg复合材料,研究SiC粒径比及粗/细体积比对复合材料微观组织、热导率和抗弯强度的影响。结果表明：随着细SiC粒径减小,其抗弯强度增加、热导率降低;同时,随着细SiC体积分数增加,其抗弯强度增加、热导率先升高后下降;当复合材料中SiC粒径比为76/16、体积比为3∶1时,热导率、平均热膨胀系数（100~400℃）、抗弯强度分别为214 W/（m·K）、9.8×10^-6K^-1和309 MPa,其断裂方式以SiC解理断裂和基体的韧性断裂为主。

超声振动高速铣削SiCp/Al复合材料的切削力及刀具磨损特性

颗粒增强铝基复合材料由于其优异的性能,在航空、航天及军事等领域得到广泛应用,但材料的难加工特性限制其进一步应用.采用超声高速铣削对高体分SiC颗粒增强铝基复合材料进行了实验研究,研究了超声切削参数对铣削力的影响,分析了超声加工时的刀具磨损情况和机理.研究发现采用超声铣削可以有效地减小切削力,得出了超声加工SiC颗粒增强铝基复合材料的合理切削用量.同时,超声铣削很大程度上降低了磨料磨损和粘结磨损,提高了刀具的使用寿命.