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文|凹脸的外星人

编辑|凹脸的外星人

前言

众所周知，金属材料作为机械行业的常用材料，拥有高韧性、高延展性等优点，在铝、镁金属基中添加氧化铝、碳化硅、氮化铝等颗粒可增强材料的强度和耐磨性。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/A1)作为铝合金和碳化硅两种材料的集合体，相比于传统金属，具有比强度较高、比模量较大、耐磨性较高、有着较小的热膨胀系数以及尺寸稳定等一系列优点，已经是铁合金等多种合金的优先替代材料。

常见制备方法与应用

近年来，在研究了多种类型的金属基复合材料的金属基体与增强相材料两相材料的交界面处的反应变化、交界面处的强度和如何实现降低交界面处的其他变化反应等方法后，研究人员相继开发出了多种制备金属基复合材料的方法。

在技术层面很大程度上推动了相关金属基复合材料的快速发展和更广泛的应用，在整合了所有提到的主要方法后，常见的制备方法按照物质状态不同可分为液态法和固态法两种。

（1）液态制备方法

常见的液态制备方法是指将处于熔融状态下的金属基体材料与处于固态的增强相材料混合在一起再冷却后得到的金属基复合材料的方法。

在较高温度下如何有效得控制基体材料不发生氧化反应以及界面不发生反应是本方法的主要技术难点；同时该方法还可用来制造复合材料零件。常见的液态法在这里介绍两种：搅拌熔铸法和喷射沉积法。

液态搅拌熔铸法因为其操作简单且成本较低，成为了一种相对更适合于大规模制备颗粒增强金属基复合材料的主要方法。

该方法的原理是将金属基体材料加热至液态，并对其进行特定程度的机械搅拌使其产生漩涡，将增强相颗粒加入其中并使颗粒尽量均匀地分散于液态的金属基体中。

BADIA等人首次成功使用搅拌熔铸法制备了石墨颗粒增强铝基复合材料间。

喷射沉积法的原理是将金属基体材料在坩埚中经过高温熔炼成液态后，通过加压处理，随后材料溶液经过特制的喷嘴进入到专用的雾化器中。

在惰性气体的飞速作用下，经过之前处理的金属液体形成了无数被雾化了的微小的液滴，将一定量经过筛选处理的增强相颗粒与经过处理的金属小液滴混合后散落在特制的收集装置中快速凝固成所需的复合材料。

该方法的优点是可达到非常高的致密度、材料凝固迅速、成分均匀且几乎没有杂质。

（2）固态制备方法

固态制备法的主要特点是金属基体材料与增强相颗粒材料在制备过程中均处于固态，制备所需温度较低。

这样的优点是可以有效抑制两相材料的氧化作用以及两相材料之间的界面反应。固态制备法介绍以下两种：粉末冶金法和热压法。

粉末冶金法的基本原理是指将增强相材料制成粉末状的状态，与金属基体材料以一定方式均匀混合，通过锻压、挤压等方法压制成型。

最后利用原子扩散的原理经过烧结使两相材料结合在一起而制成复合材料,它是一种在该固态方法中最先被人发明用来制造复合材料的方法，在复合材料制造里的增强相为晶须和颗粒等种类中比较常见。

尽管如此，其工艺复杂、制备成本较高的缺点也比较明显。

热压法基本原理是先将基体金属材料与增强纤维材料两者制成金属基复合材料预制片，再按材料的设计要求将其制作成所需的形状以并按需要进行排列叠层。

根据体积分数的需要计算基体材料含量，在叠层时适当添加金属基体箔，再放入模具内，通过加热加压的作用后得到所需的金属基复合材料或其零件。

SiCp/Al复合材料因其出色的材料性能被用于航天器上的一些精密构件上。美国军方的未知型号制导系统使用了SiCp/Al复合材料，且已经被写入美国的国家军标代号MIL-M-46196)。

另外，SiCp/Al复合材料替代了之前被广泛使用的铍，用于制造三叉戟导弹的某导向装置结构以及用于测量惯性的某种元器件，成本降低近70%。

美国ACMC公司研制的SiCp/Al金属基复合材料，部分已经用于在太空为部分国家军方和政府的一些民用服务的卫星的部分零部件及空间望远镜、扫描镜等仪器上，使用效果非常出色，收到了很高的评价。

金属基复合材料SiCp/Al切削加工研究现状

在加工时材料内部产生的应力在不同位置值的偏差较大的现象，Al基体材料在去除时是被塑性去除的，而SiC材料在变形时则是弹性变形，并可能发生脆性破坏等现象。

在材料中，裂纹的产生有以下几种可能性：在Al基体、SiC颗粒两相材料的交接面处沿着界面延伸、在力的作用下SiC颗粒发生破碎产生裂纹并向下延伸、SiC颗粒几乎保持了完好无损的状态，而产生的裂纹仅在Al基体中扩展。

ZhaoweiZhongl²1-22选用了两种体积分数的SiCp/Al金属基复合材料(10%和20%)，选用了两种类型的砂轮(碳化硅砂轮和树脂金刚石砂轮)进行了磨削加工研究。

发现SiC砂轮在平行于磨削方向的Ra值远低于与其垂直方向上的Ra值；而另一种砂轮磨削后两个方向的Ra值相差不大。

磨削表面存在以下缺陷：被去除的Al基体材料又被涂覆在磨削后的表面；部分SiC颗粒被拔出表面产生了较大的凹坑或孔洞，而且SiC颗粒出现了破碎断裂的情况。当使用树脂砂轮加工时，SiC颗粒发生了塑性去除现象。

体积分数45%的SiCp/Al复合材料加工的正交切削模拟方法，用于深入了解SiCp/Al复合材料微铣削表面缺陷及其与加工参数之间的关系。

分析了三种典型情况下的材料去除机理和表面缺陷形成原因。结果表明与SiC颗粒有关的去除机理和表面缺陷取决于SiC颗粒与刀具之间的相互位置和SiC颗粒的脆性断裂。

通过切削试验的证明，在半交互式的位置关系下加工可能得到最佳的表面质量。

还利用有限元方法研究了球形压头对金属基复合材料(MMCs)的微观压痕行为，包括加载/卸载过程中MMCs中应力场和应变场的变化发展情况。

探讨了SiCp/Al金属基复合材料中的SiC颗粒断裂，脱粘和位移以及非均匀变形等情况，并与文献中所做的实验结果进行了比较。

该分析还为理解加工金属基复合材料中残余应力的形成提供了一种见解。

还使用ThirdWaveSystemsAdvantEdge和ABAQUS/Explicit开发了多步三维有限元模型，对体积分数为20%的SiCp/Al复合材料进行的亚表面损伤预测。

加工条件对测得的切削力和损伤的影响通过多步全耦合热力学模型来模拟。

通过等效均质材料(EHM)模型来定义材料特性，而损伤预测是通过将产生的应力和温度分布应用于多相子模型来实现的。

同时使用热弹性塑性破坏模型和粘性区模型来描述材料的行为成功地预测颗粒增强MMC的切削力和表面下损伤。从EHM加工模型获得的结果与实验数据在测量切削力方面进行了比较，相似性较好。

并且还通过瞬态动力学有限元分析研究了Al6061/SiCp金属基复合材料(MMC)金刚石车削的力学性能。

选择并采用8节点的等参单元进行仿真，详细研究了该刀具与MMC中材料可能发生的四种接触情况。分析了所有四种情况下的法向应力和剪切应力，得到的仿真结果与实验结果一致，并讨论了它们的意义。

并且采用了ABAQUS/Explicit软件对Al/SiC金属基复合材料(MMC)进行了二维有限元仿真研究。

发现从仿真中获得的切削力的值及其对应的图像与实验所获得的结果非常吻合。从仿真中获得的锯齿状切屑也与实验中得到的切屑形状相似。

锯齿状切屑的大小随着切削速度的增加而增加。从仿真和实验所获得的切削力随着时间的变化而大幅波动，这是由于切屑在产生后长度不断增加直至断裂的缘故。

深入研究了SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)的已加工表面的缺陷产生的原因和机理。

建立了由硬质SiC颗粒和软质铝基体组成的二维有限元模型并进行了仿真模拟，其中SiC颗粒模型为随机分布的圆形和多边形。

仿真模拟的结果表明，碳化硅颗粒的旋转、拔出、大幅度断裂、微型裂纹和切穿是主要的缺陷形成机制。

将模拟加工的表面形态与实验后所得表面的轮廓进行比较，获得了良好的相关性。

还提出了一种用于模拟金属基复合材料加工过程中的颗粒-刀具之间的相互作用的微观力学有限元模型。

所提出的模型包括Al基体、SiC颗粒和颗粒-基体界面。模拟采用了热弹塑性失效模型和粘聚区模型。

通过与实验测量数据的比较来验证模型预测。该模型能够模拟在切割过程中复合材料各个阶段的行为，从而可以在切割过程中成功地模拟颗粒脱粘和断裂。

该模型还用于研究磨削刀具和切割线上颗粒之间相互作用的不同情况。模拟分析为颗粒增强金属基复合材料的加工过程提供了更全面的参考。

还利用ABAQUS软件开发了SiCp/Al复合材料随机颗粒分布的多颗粒微观元素模型。

分析了正交切割出口附近边缘缺陷的形成机理，探究了工艺参数对边缘缺陷尺寸的影响规律。

发现在其形成的过程中，SiC颗粒的脆性破碎和Al基体的塑性去除的情况同时产生。

另外，边缘缺陷的大小与砂轮的磨削速度的关系并不大，但它的高度和长度等数值与磨削深度的变化有着很明显的关系。最后将所得的仿真结果与进行的正交磨削实验的结果进行了比较，并发现结果基本一致。

结语

通过采用五水平单因素实验以及三因素五水平正交实验，对比研究了电镀砂轮和树脂结合剂砂轮对体积分数分别为20%和55%的金属基复合材料SiCp/Al的表面质量。

通过测量已加工表面的粗糙度值、观测表面形貌特征来分析各因素对表面粗糙度的影响程度，得到了各因素对表面加工质量影响的主次顺序，并在已有的加工条件下，得到了最佳参数组合。