气孔尺寸对金属陶瓷复合材料热残余应力的影响分析文献综述

 2021-09-27 08:09

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文 献 综 述

一、选题的依据和研究的意义

金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点,它密度小、硬度高、耐磨、导热性好,不会因为骤冷或骤热而脆裂[1,2]。另外,在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层,也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性[3]。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方[4]。其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其优异的综合性能,近年来在精密光机构件,电子封装等应用方面引起了广泛的关注。

SiCp/Al复合材料基体和增强相之间热膨胀系数的差异,导致材料内部产生热残余应力。热残余应力又会影响材料的力学性能[5](屈服强度、抗拉强度、塑性、韧性),因此深入研究SiCp/Al复合材料热残余应力是十分必要的[6]

本文主要针对SiCp/Al复合材料降温过程中产生的热残余应力进行三维有限元计算,重点研究气孔大小对基体残余应力的影响。其对复合材料的推广运用具有重要的理论意义。

二、SiC/Al 复合材料有限元模拟研究现状

随着计算机技术的迅速发展,有限元软件已经被广泛应用于颗粒增强复合材料的研究,成为定量分析、预测材料综合力学性能的有效工具。关于 SiC/Al 复合材料有限元模拟方面的研究报导主要是针对 SiC 颗粒的尺寸、形状、含量及分布方面的研究[7]

(1)国内研究现状

韩媛媛等[8]研究了颗粒形状对铝基复合材料的影响,她选用的基体为2024铝合金,增强相分为两种,一种是近似球形的粒径为0.15μm、体积分数为40%的Al2O3颗粒,另一种是有尖角粒径为1μm、体积分数为40%的SiC颗粒。分别对两种材料在495℃进行淬火处理,降到室温。并用有限元法模拟了整个降温过程,并模拟了二维的圆形Al2O3颗粒和方形的SiC颗粒周围的应力场。模拟结果显示颗粒附近残余应力较大,但Al2O3颗粒周围基体热残余应力分布较均匀,而SiC颗粒尖角处附近基体存在应力集中和塑性应变集中。

邹晋[9]利用无压渗透法制备SiCp/ZL101 复合材料,采用有限元软件对复合材料内部的热残余应力分布进行了分析,讨论了冷却速度对复合材料热残余应力的影响。结果显示:SiCp/ZL101 复合材料在不同冷却速度下热应力随时间的变化趋势不一致,冷速越高则热应力的变化越剧烈。水冷过程中由于温度的迅速下降,复合材料的热应力在瞬间即转化成热残余应力保存下来,而空冷和炉冷过程中复合材料的热应力的变化趋势较为平缓。水冷处理后复合材料中热残余应力最大,空冷处理和炉冷处理后材料中热残余应力差别较小。

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