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原文传递功能梯度复合材料制动盘设计及制备成形工艺、组织与性能研究

论文题名：	功能梯度复合材料制动盘设计及制备成形工艺、组织与性能研究
关键词：	梯度复合材料制动盘;制备成形工艺;离心铸造;微观组织结构;力学性能
摘要：	颗粒增强金属基复合材料具有优良的性能，复合材料的制备技术和成形技术的研究已经引起人们的广泛关注，但是基于技术和成本方面考虑一直难以得到大范围的应用。由于颗粒增强金属基复合材料的性能受到具体的制备工艺技术、基体合金成分、增强颗粒的性质以及基体合金与增强颗粒的界面结合状况等诸多因素影响，现有的研究对这方面的认识还十分有限，数据资料也十分缺乏，在一定程度上也影响了颗粒增强金属基复合材料的推广应用。本论文从颗粒增强铝基复合材料新产品开发的需要出发，基于材料组成对产品进行设计，深入研究了颗粒增强复合材料的制备技术和离心铸造成形技术，对加工工艺方法对材料的组织、成分和性能特征影响进行了系统的研究，系统的阐述了复合材料制备和成形过程工艺-组织-性能特征。论文主要包括以下研究内容：　　运用MSC.Patran有限元分析软件对不同材料的车辆用制动盘在同种工况条件下进行了热应力分析，结果表明颗粒增强铝复合材料颗粒体积分数沿径向具有梯度变化的制动盘热应力分布更为均匀，应力变化更为平缓，而且该种材料构成的制动盘具有减重和提高使用寿命的优点，实现了梯度功能复合材料制动盘材料构成的初步设计，提出了构建梯度复合材料制动盘的思想。　　深入研究了重量达到32kg、体积分数为20％、平均粒径为15.8μm的SiC颗粒增强Zl104合金的复合材料制备技术，对搅拌复合过程的工艺参数、增强颗粒的分散过程进行了探讨。结合颗粒润湿机制对颗粒分散的动力学过程进行了研究，结果表明增强颗粒在熔体中的分散过程大致可以分为孕育期、聚集期和分散期三个阶段，加深了对复合铸造法制备颗粒增强复合材料的工艺过程认识。　　对金属型铸造成形的20%SiCp/Zl104复合材料试样的微观组织结构、界面结合状况和机械性能进行了研究，表明复合材料界面结合良好，复合材料中增强颗粒聚集、孔隙率较高是造成材料力学性能较基体合金有所下降的主要原因。　　对运用离心铸造成形方法制备的颗粒增强复合材料筒状件进行了系统的研究，结果表明，离心铸造工艺不仅会引起复合材料浆料中的增强颗粒分布、复合材料性质发生变化，而且由于凝固条件的变化也会使得构成复合材料的基体合金成分、微观组织结构在离心力方向产生变化，在对离心铸造成形过程中复合材料的凝固过程进行系统、深入探讨的基础上得出了离心铸造过程溶质传输、合金凝固过程的经验模型。　　系统的研究了离心铸造成形的筒状件增强层和非增强层材料热处理工艺，探讨在热处理过程中材料的组织结构和力学性能特征，结果表明增强颗粒的添加是造成增强层材料热处理动力学加速的主要因素，非增强层的化学成分和组织结构变化提高了元素的扩散速度，起到了加速时效动力学的作用。　　对基体合金材料、离心铸造成形的筒状件复合材料热处理前后的力学性能进行了深入探讨，结果表明增强颗粒的添加改变了材料的断裂模式，材料的断裂特征主要为增强颗粒引起的脆性断裂和基体合金的韧性断裂，复合材料整体表现为脆性断裂，由于基体合金与增强颗粒的界面处的位错密度较高、空位较多，在该处位错容易堆积形成裂纹断裂，铸态试样的力学性能不高，通过热处理方式可以有效的改善基体合金中的微观组织结构、降低界面处的位错密度和减少空位缺陷，其断裂主要表现为颗粒的脆性断裂，极大的提高了复合材料的布氏硬度和抗拉强度。　　对基体合金材料、离心铸造成形的筒状件增强层材料热处理前后的磨损机制和耐磨损性能进行了深入研究，磨损试验是块体-GCr15轴承钢环试验机上无润滑的条件下进行的。结果表明材料的磨损主要表现为磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损三种机制，这几种磨损机制经常伴生出现。铸态 SiCp/Zl104复合材料试样的磨损主要表现为黏着磨损和疲劳磨损引起的块体剥落，此时 SiC增强颗粒不是主要的载荷承受体，通过固溶处理之后，作为传递载荷的基体合金的塑性改善，主要表现为磨粒磨损，SiCp/Zl104复合材料试样耐磨损性能有极大的增加，而在进行了时效处理之后，主要表现为疲劳磨损。　　采用立式离心铸造法完成了具有梯度变化复合材料盘状零件的试制备，结果表明合理的调整铸造工艺参数，调整复合材料的凝固时间和成形零件的凝固顺序，可以制备出 SiC颗粒沿制动盘径向具有梯度分布的盘状零件，其硬度在径向方向也呈现梯度分布。　　通过对复合材料设计、材料制备与成形的基础研究研究表明，实现梯度复合材料制动盘制备是可行的。通过该研究表明掌握材料制备与成形过程的规律，深入探讨材料制备与成形过程材料的组织-性能关系，将可有效的指导实际产品的开发。
作者：	王开
专业：	材料加工工程
导师：	刘昌明
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文