颗粒增强铝基复合材料稳定化处理过程的热应力分析

【摘要】：本文建模用材料为挤压铸造方法制备的Al2O3P/2024Al 复合材料和SiCP/2024Al复合材料。利用温度自动测试系统对复合材料试样在固溶淬火以及各种不同冷热循环过程中的温度随时间变化情况进行了测试;通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段对复合材料的显微组织进行观察;利用万能拉伸试验机和热效应自动分析仪测试了SiCP/2024Al复合材料在不同稳定化工艺处理后的微屈服强度和热循环条件下的尺寸稳定性;利用Marc有限元软件建立了热应力分析的平面几何模型,并且对复合材料热处理过程的热应力进行分析,讨论了体积分数、颗粒形状以及稳定化处理工艺对热应力的影响。 热残余应力是材料尺寸稳定性的重要影响因素,本文利用有限元法对复合材料稳定化处理过程的热应力进行了数值模拟。模拟结果显示,热处理过程中,由颗粒和基体之间的热错配所造成的微观应力超过基体合金的屈服强度,致使基体发生塑性变形。颗粒体积分数低的Al2O3P/2024Al复合材料的热残余应力场分布比较均匀,随着颗粒体积分数的增加,Al2O3P/2024Al复合材料的局部热残余应力场有相互叠加的现象。球形颗粒和基体的界面附近的热残余应力场分布相对比较均匀;尖角形颗粒和基体的界面附近的热残余应力分布很不均匀,颗粒的尖角处有非常明显的残余应力和应变集中现象。冷热循环可以降低复合材料中的热残余应力,使颗粒尖角处应力集中的现象得到明显改善;冷热循环的下限温度越低,降低热残余应力效果越显著,并且,第一次循环对降低热残余应力起主导作用。 不同的稳定化处理工艺对SiCP/2024Al复合材料微屈服强度和热循环条件下的尺寸稳定性的影响不同。在冷热循环工艺处理过程中,上下限温差越大,残余应力释放的越充分,SiCP/2024Al复合材料在无负载热循环条件下的尺寸稳定性越好,与数值模拟结果相吻合。改善SiCP/2024Al复合材料在无负载热循环条件下尺寸稳定性的最佳工艺为160℃~-196℃冷热循环工艺。在负载条件下,随着冷热循环温差的增大,SiCP/2024Al复合材料的微屈服强度呈下降的趋势。