微米SiCp与纳米TiCp协同增强铝基复合材料设计与验证

摘要

活塞是发动机的关键部件，工况条件极为苛刻，活塞材料因此需要优异的综合性能。为了提高现有铝硅活塞合金的力学性能，本文采用有限元与实验结合的方法，通过改变不同第二相（初生硅、共晶硅、富铜镍相）尺寸与不同微纳米相（碳化硅、碳化钛）对合金进行强化，得到了第二相与微纳米相对合金应力应变场及屈服强度的影响规律。在这个过程中，采集光学金相（OM）以获取铝硅活塞合金的显微组织，并以此进行三维重构，探究活塞合金中第二相的分布与空间结构。使用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）表征复合材料的界面以及显微结构。通过拉伸实验与纳米压痕实验测量材料的力学性能。建立第二相、微纳米相的三维数字模型，并以此为基础建立代表性体积元模型（RVE）。采用有限元法探究第二相尺寸以及复合材料中的颗粒含量、尺寸、界面结合对材料的力学性能影响，并实验验证。
　　本研究主要内容包括：⑴三维重构结果表明初生硅的空间形貌为多面块体，共晶硅则为长条状，所有硅相总体积含量约为12.59％，并且活塞合金中大部分的初生硅与共晶硅相连。铝化合物的空间结构呈复杂的丝网状，相对孤立地分布在活塞合金中，连通性较低，其总体积含量约为3.43%。富铁相的空间形貌为不规则的块体，在合金中孤立地分布，含量较少。⑵有限元结果表明初生硅的块体尖角处易引起应力集中，随着初生硅的尺寸的变小，尖角处的应力下降，合金强度提高，基体塑性变差。共晶硅为合金屈服强度的主要贡献者，随着尺寸的减小合金的强度提高最为明显。富铜镍相相对较高的弹性模量使得它在合金体系中成为主要应力承担者，丝网状的空间结构有利于合金体系的强化。随着尺寸的减小对合金的性能贡献越大，但富铜镍相在合金中的含量较低，它的力学强化作用在宏观屈服强度上体现不明显。⑶在纳米TiCp/Al复合材料中，TiC对基体有细晶强化作用，强化贡献使用Hall-Petch公式进行量化纳入有限元计算时的基体性能当中，并以此研究了TiC的尺寸与含量对复合材料性能影响。计算结果表明，200nm的TiC强化作用大于500nm的TiC,随着含量的提升它们都对基体强度起到了强化作用。当含量为5wt.%与3wt.%时，它们的TiCp/Al复合材料屈服强度变化较小，但高含量的颗粒会对基体塑性产生更加不利的影响。采用500nm碳化钛增强复合材料时，颗粒含量较低的1wt.%与3wt.%的复合材料屈服强度实验值与预测值较为吻合。⑷SiCp/Al复合材料中颗粒与基体的界面结合对复合材料性能影响较大，在载荷作用下界面脱粘开裂。当界面强度大于500MPa后复合材料性能提高较少，低于200MPa，复合材料力学性能急剧下降。实验曲线与200MPa界面强度计算曲线较为吻合。碳化硅的含量大于1wt.%后才有明显的强化作用，随着颗粒含量的提升，复合材料屈服强度提高，塑性降低。

目录

1 绪 论

1.1 铝硅活塞合金简述

1.2 颗粒增强铝基复合材料

1.3 三维重构技术简述

1.4 有限元仿真与Digimat软件在材料设计中的应用

1.5 本课题研究目的与内容

2 实验方法与有限元法

2.1 实验技术路线

2.2 实验材料与制备方法

2.3 组织分析与性能测试

2.4 有限元法

3 铝硅活塞合金组织结构的三维重构

3.1 基于连续金相切片的三维重构方法

3.2金相图片数据处理

3.3 活塞合金第二相三维结构表征与定量分析

3.4 本章小结

4 第二相尺寸对活塞合金力学性能影响

4.1 初生硅尺寸对合金力学性能影响

4.2 共晶硅尺寸对合金力学性能影响

4.3 富铜镍相尺寸对合金力学性能影响

4.4 本章小结

5 纳米颗粒的含量与尺寸对复合材料力学性能影响

5.1 TiCp/Al复合材料细观建模过程

5.2 碳化钛含量对复合材料力学性能影响

5.3 碳化钛尺寸对复合材料力学性能影响

5.4本章小结

6 SiCp/Al复合材料的界面强度与颗粒质量分数研究

6.1 SiCp/Al复合材料细观建模过程

6.2 界面对SiCp/Al复合材料力学性能影响

6.3 SiC颗粒质量分数对SiCp/Al复合材料性能影响

6.4 本章小结

7 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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