SiCp/Al復合材料殘余應力消除技術研究進展

朱志強

摘 要：針對航空航天等工業精密儀器關鍵零部件因熱殘余應力高度集中導致其機械性能下降的重要問題，本文從退火時效和機械作用等兩個層面綜述了SiCp/Al復合材料殘余應力消除技術的研究現狀，并對其未來發展的整體趨勢進行了展望。

關鍵詞：SiCp/Al復合材料;殘余應力;塑性變形;消除技術

一、前言

SiCp/Al復合材料由于具備比強度高，導熱系數高，熱膨脹系數低以及耐摩擦等一系列優異的性能而被廣泛應用于航空航天、電子封裝、汽車工業以及精密儀器等諸多領域[1]。然而，SiCp/Al復合材料在高溫制備過程中極易產生較高的熱殘余應力，導致復合材料內部的應力集中現象較為顯著，為改善復合材料的機械性能產生了極大阻礙。因此，如何有效消除SiCp/Al復合材料內部高度集中的殘余應力是當前急需解決的重要難題。目前，關于SiCp/Al復合材料殘余應力消除技術的研究主要集中于以下兩個層面，即退火時效和機械作用。針對這一研究背景，本文系統性地對SiCp/Al復合材料殘余應力消除技術相關研究的進展進行綜述，并就其未來發展趨勢進行展望。

二、殘余應力消除技術

（一）時效法

SiCp/Al復合材料在時效熱處理過程中，基體材料承受應力載荷達到屈服極限時會導致微塑性變形現象的發生，使得復合材料內部的殘余應力處于松弛狀態，因而被緩慢釋放;而時效熱處理同時還會促使復合材料的內部組織會逐漸趨于穩定，有利于SiCp/Al復合材料機械性能的顯著提升。為充分研究時效熱處理對SiCp/Al復合材料殘余應力的消除規律，國內外相關學者一直在不斷優化復合材料的時效熱處理工藝。王秀芳等[2]采用數值模擬和實驗研究相結合的分析方法，系統性探討了冷熱循環處理工藝對SiCp/Al復合材料殘余應力的影響規律。他們認為，冷熱循環處理可以有效消除復合材料內部的殘余應力，并且處理工藝的上下限溫差越大，消除殘余應力的效果就更為顯著。Qu等[3]借助掃描電鏡、X射線應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數SiCp/Al復合材料殘余應力和尺寸穩定性的變化情況。相較于鑄態復合材料，初始固溶淬火處理后的SiCp/Al復合材料殘余應力發生了急劇降低，時效處理與冷熱循環處理均能有效消除復合材料內部的殘余應力。隨著熱處理次數的增加，SiCp/Al復合材料殘余應力在逐漸降低，整體的降低趨勢有所緩和。從微觀機理的角度分析，固溶淬火、時效以及冷熱循環處理均會導致基體內部發生微塑性變形，而殘余應力正是通過微塑性變形的積累導致應力處于松弛釋放的狀態。

（二）機械法

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

三、結語

根據以上討論可以得知，時效法和機械法對SiCp/Al復合材料內部殘余應力的消除均具有顯著效果，然而這些消除技術同樣也具有一定的局限性。例如，時效法工藝復雜、周期冗長，并且難以及時發現材料內部的缺陷，而機械法受材料焊接結構的限制，同時易引起材料發生變形、開裂。因此，在未來的研究過程中，對于SiCp/Al復合材料殘余應力消除技術的研究不僅需要優化改進現有的消除技術，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域制備高性能金屬基復合材料奠定良好的基礎。

參考文獻

[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.冷熱循環處理對SiCp/2024Al尺寸穩定性的影響[J].材料熱處理學報，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.金屬基復合材料SiCp/Al的振動切削特性研究[J].焦作工學院學報（自然科學版），2002，21（4）：275-278.