SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力消除技術(shù)研究進(jìn)展

朱志強(qiáng)

摘 要：針對航空航天等工業(yè)精密儀器關(guān)鍵零部件因熱殘余應(yīng)力高度集中導(dǎo)致其機(jī)械性能下降的重要問題，本文從退火時效和機(jī)械作用等兩個層面綜述了SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力消除技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展的整體趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：SiCp/Al復(fù)合材料;殘余應(yīng)力;塑性變形;消除技術(shù)

一、前言

SiCp/Al復(fù)合材料由于具備比強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)低以及耐摩擦等一系列優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子封裝、汽車工業(yè)以及精密儀器等諸多領(lǐng)域[1]。然而，SiCp/Al復(fù)合材料在高溫制備過程中極易產(chǎn)生較高的熱殘余應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為顯著，為改善復(fù)合材料的機(jī)械性能產(chǎn)生了極大阻礙。因此，如何有效消除SiCp/Al復(fù)合材料內(nèi)部高度集中的殘余應(yīng)力是當(dāng)前急需解決的重要難題。目前，關(guān)于SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力消除技術(shù)的研究主要集中于以下兩個層面，即退火時效和機(jī)械作用。針對這一研究背景，本文系統(tǒng)性地對SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力消除技術(shù)相關(guān)研究的進(jìn)展進(jìn)行綜述，并就其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

二、殘余應(yīng)力消除技術(shù)

（一）時效法

SiCp/Al復(fù)合材料在時效熱處理過程中，基體材料承受應(yīng)力載荷達(dá)到屈服極限時會導(dǎo)致微塑性變形現(xiàn)象的發(fā)生，使得復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力處于松弛狀態(tài)，因而被緩慢釋放;而時效熱處理同時還會促使復(fù)合材料的內(nèi)部組織會逐漸趨于穩(wěn)定，有利于SiCp/Al復(fù)合材料機(jī)械性能的顯著提升。為充分研究時效熱處理對SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力的消除規(guī)律，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者一直在不斷優(yōu)化復(fù)合材料的時效熱處理工藝。王秀芳等[2]采用數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的分析方法，系統(tǒng)性探討了冷熱循環(huán)處理工藝對SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。他們認(rèn)為，冷熱循環(huán)處理可以有效消除復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并且處理工藝的上下限溫差越大，消除殘余應(yīng)力的效果就更為顯著。Qu等[3]借助掃描電鏡、X射線應(yīng)力分析儀等高端測試儀器研究了不同熱處理工藝下高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力和尺寸穩(wěn)定性的變化情況。相較于鑄態(tài)復(fù)合材料，初始固溶淬火處理后的SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力發(fā)生了急劇降低，時效處理與冷熱循環(huán)處理均能有效消除復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。隨著熱處理次數(shù)的增加，SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力在逐漸降低，整體的降低趨勢有所緩和。從微觀機(jī)理的角度分析，固溶淬火、時效以及冷熱循環(huán)處理均會導(dǎo)致基體內(nèi)部發(fā)生微塑性變形，而殘余應(yīng)力正是通過微塑性變形的積累導(dǎo)致應(yīng)力處于松弛釋放的狀態(tài)。

（二）機(jī)械法

機(jī)械作用能夠促使SiCp/Al復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒與基體的相互擠壓，復(fù)合材料在制備成型過程中形成的微氣孔等結(jié)構(gòu)缺陷均被壓實，顯著降低了復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的集中程度，并且由于微塑性變形現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致殘余應(yīng)力通過應(yīng)力松弛的方式逐漸被部分消除。相較于時效法，機(jī)械法對于SiCp/Al復(fù)合材料的機(jī)械性能影響較小，且更為實用。就目前而言，機(jī)械法通常包括振動法[4]、拉伸法、模具冷壓法和噴丸強(qiáng)化法等。其中，振動法消除殘余應(yīng)力的原理在于利用振動載荷在一定頻率時間內(nèi)疊加復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其達(dá)到復(fù)合材料的屈服極限以發(fā)生微塑性變形，實現(xiàn)殘余應(yīng)力的有效消除。拉伸法是通過施加外力載荷來疊加復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，同樣是借助基體內(nèi)部發(fā)生微塑性變形實現(xiàn)殘余應(yīng)力的消除。而模具冷壓法則是利用特制的模具，通過迫使復(fù)合材料發(fā)生冷變形來釋放殘余應(yīng)力。相較于前兩種機(jī)械法，模具冷壓法弊端較多，不僅只能夠消除局部的熱殘余應(yīng)力，同時還易引起冷作硬化以及開裂等現(xiàn)象的發(fā)生。噴丸強(qiáng)化法是指將大量的小彈丸高速且連續(xù)地噴射到復(fù)合材料表面，在彈丸反復(fù)撞擊的過程中造成復(fù)合材料表層發(fā)生循環(huán)塑性變形，導(dǎo)致SiCp/Al復(fù)合材料表面產(chǎn)生強(qiáng)化層的一種行為。從微觀機(jī)理的角度分析，彈丸強(qiáng)化能夠促使晶界發(fā)生滑移并引起位錯密度逐漸增長，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部生成了一定量級的塑性伸長變形，因而釋放了高溫冷卻過程中產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力。同時，SiCp/Al復(fù)合材料的局部界面區(qū)域由于噴丸強(qiáng)化作用會形成一定量級的殘余壓應(yīng)力，使得復(fù)合材料內(nèi)部的縮松以及微氣孔等結(jié)構(gòu)缺陷被壓實，有效緩解了復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力集中程度。

三、結(jié)語

根據(jù)以上討論可以得知，時效法和機(jī)械法對SiCp/Al復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的消除均具有顯著效果，然而這些消除技術(shù)同樣也具有一定的局限性。例如，時效法工藝復(fù)雜、周期冗長，并且難以及時發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部的缺陷，而機(jī)械法受材料焊接結(jié)構(gòu)的限制，同時易引起材料發(fā)生變形、開裂。因此，在未來的研究過程中，對于SiCp/Al復(fù)合材料殘余應(yīng)力消除技術(shù)的研究不僅需要優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有的消除技術(shù)，還需要探索出更具有普適性和高效率的新消除途徑，從而為航空航天以及其他高端高端領(lǐng)域制備高性能金屬基復(fù)合材料奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Chawla N，Shen Y L.Mechanical Behavior of Particle Reinforced Metal Matrix Composites[J].Advanced Engineering Materials，2001，3（6）：357-370.

[2]王秀芳，武高輝，姜龍濤，等.冷熱循環(huán)處理對SiCp/2024Al尺寸穩(wěn)定性的影響[J].材料熱處理學(xué)報，2006（01）：33-37.

[3]Qu S G，Lou H S，Li X Q，et al.Effect of Heat-Treatment on Stress Relief and Dimensional Stability Behavior of SiCp/Al Composite with High SiC Content[J].Materials & Design，2015，86（5）：508-515.

[4]焦鋒，趙波，劉傳紹.金屬基復(fù)合材料SiCp/Al的振動切削特性研究[J].焦作工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，21（4）：275-278.