铝基复合材料反挤压数值模拟文献综述

铝基复合材料反挤压数值模拟文献综述

1.1 金属基复合材料发展概况

金属基复合材料(MMC)是20世纪60年代末才发展起来的。它的出现弥补了聚合物基复合材料的不足，如耐温性较差(一般不能超过300\且不能满足材料导电、导热的需要。与单质的同类金属相比，金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、 高耐磨性、低的热膨胀性和耐高温性能这些性能是单质金属材料所不具有的。早期研究工作所用的增强材料主要是钨、硼纤维和碳化硅SiC增强颗粒等。由于当时这些材料的制造成本昂贵，金属基复合材料的研究工作一度处于低潮。70年代后，随着碳化硅SiC增强颗粒与纤维等增强材料成本的降低以及氧化铝纤维和颗粒、碳化硅颗粒等新的廉价增强材料的出现和批量生产，以及金属基复合材料制备与成形方法的进步，金属基复合材料的研究。全面发展起来。此后至今的20多年晕，世界各国的研究工作者以不同增强材料如SiC、A1203、C、B对增强铝、镁、钦、镍等合金各种复合材料进行了大量深入的研究。研究内容包括探索复合材料的制备与成形方法，探讨它们的力学、物理性能，研究其微观结构、强化机理、变形与断裂行为等。随着性能好、成本低的增强剂的研制成功及各种加工方法的提出，金属基复合材料尤其是铝基复合材料，己成为一种具有开发潜力和发展途的复合材料。部分铝基复合材料已进入商业化生产阶段，应用到航天航空工业、兵器工业，汽车工业等领域，如用纤维增强的铝合金活塞不但提高了刚性、尺寸稳定性、抗热疲劳性及高温强度，而且减轻了活塞质量。同本、美国的一些企业均能大批量生产这种活塞，广泛用于航空和汽车领域。此外，还有连杆、喷气发动机叶轮、飞机发动机扇形叶片等。在兵器行业MMC办有广泛的应用前景，适用于装甲车辆零部件，如铝合金负重轮、履带板，刹车片等。哈尔滨工业大学采用AI 20ySiCp局部混杂增强半固态模锻复合工艺成功研制了WZ502步兵战车铝合会负重轮，为我国战车轻量化打下了基础。

金属基复合材料按增强体的几何形状通常分为：连续纤维增强金属基复合材料、层板复合材料、非连续物（包括短纤维、SiC增强颗粒、颗粒和片状增强体)增强金属基复合材料。

连续纤维增强金属基复合材料：利用高强度、高模量、低密度的碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、金属合金丝等增强金属基体组成高性能复合材

料。通过基体、纤维类型、纤维排布方向、含量、方式的优化设计组合，可获得各种高性能。具有高强度、高模量的连续纤维是复合材料的主要承载体，增强基体效果明显。基体金属主要起固定纤维、传递载荷、部分承载的作用。连续纤维增强金属基复合材料具有明显的方向性，在沿纤维轴向上具有高强度、高模量等性能，而横向性能较差。一般来讲，连续纤维增强金属基复合材料制造难度大、成本较高。

层板复合材料：将两种或两种以上优化设计和选择的层板相互完全粘接在一起组成的层板复合材料。具有单一板材难以达到的综合性能。层板复合材料可由金属与金属板、金属与非金属板组合而成，适应各种应用的需求。其中余属层板复合材料、金属与聚合物板复合材料发展迅速，已有批量生产，应用到汽车、船舶、化工、仪表等工业领域。采用层板复合材料的复合甲板替代装甲车辆钢质甲板是一非常有前景的应用领域。

非连续增强金属基复合材料：由短纤维、SiC增强颗粒、颗粒为增强物与余属基体的复合材料。增强物在基体中随机分布，其性能各向同性，而且各项性能指标易于通过控制增强物的含量及其在基体中的分布形态加以调整。非连续增强物的加入，明显提高了金属的耐磨、耐热性、提高了高温力学性能、弹性模量。降低了热膨胀系数等。这类复合材料的最大特点是材料制备和成形方法种类多，成形过灵活，可以采用常规的粉木冶会、液态金属搅拌、液态会属压力下浸渗、喷射沉积、真空压力下浸渗等方法制造，并可用铸造、挤压、锻造、轧制、半固态流变和触变成形等加工方法进行加工成形，制造成本低。因此，它具有更广阔的应用发景。基于此，材料专家们认为，金属基复合材料未来的发展方向是非连续增强会属基复合材料，并预计这类复合材料将率先得到广泛应用。因此，非连续增强会属基复合材料是21世纪会属基复合材料工作者重点研究发展方向。

1．2 铝基复合材料的特性及运用

1．2．1 金属基复合材料的特性

金属基复合材料的性能特点主要取决于基体金属和增强体的特性、含量和分布等。可以通过对其优化组合获得高性能的材料，会属基复合材料的主要有以下的性能特点： (1)高比强度、比模量

由于增强体是高强度、高模量、低密度的纤维、SiC增强颗粒、颖粒等，因此 明显提高了复合材料的比强度和比模量。用高比强度、比模量的复合材料作成的构件重量轻刚性好、强度高，是航天航空的良好材料。 (2)优越的耐热性能

金属基体的高温性能比有机高分子高得多，同时增强纤维、SiC增强颗粒和颗 粒在高温下又具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合材料具有比基体会属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料，纤维强度在高温下基本上不下降，纤维增强金属基复合材料的高温性能可以保持接近金属的熔点，比如石墨纤维增强铝基复合材料在5000C高温下仍有600MPa；而铝基体在300。C强度就己经下降到100 MPa以下了。因此金属基复合材料可以用作在高温环境下使用的零部件，从而可以提高零部件的使用寿命，大幅度提高工作效率。 (3)耐磨性好

高强度、高模量、高硬度的陶瓷增强材料的加入明显提高了金属基复合材料 的耐磨性，而某些具有自润滑作用的增强材料(如石墨)又可大大降低复合材料的摩擦系数。通过控制调整增强材料的种类形状、尺寸和取向等可以获得最小磨耗和与对磨材料的最佳匹配。比如在铝基体中加入7％的硅酸铝短纤维，就能使耐磨性成倍提高。因此金属基复合材料可以广泛用于汽车发动机、刹车盘、活塞等表面接触应力大的零件上。 (4)导热导电性能好

金属基复合材料的基体是金属，复合材料仍保持了金属的良好导热和导电性。 良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集的问题，良好的导热性能能减少构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这样可以保持尺寸的稳定性。在会属基复合材料中采用高导热性的增强物得到复合材料导热性能比金属还好．比如石墨纤维增强铜基复合材料的强度和模量都比铜高，又保持铜的优异的导热和导电性能，其常用束制造大规模集成电路的底板和半导体装置的支持挚板，防止底板的翘曲和半导体基片裂纹的产生，提高了器件的稳定性。 (5)疲劳性和断裂韧性

金属基复合材料的疲劳性和韧性取决于增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是它们之『白J

的界面状态，好的界面结合可以有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，从而提高材料的韧性。当在会属基体中的短纤维和连续纤维与应力方向平行时，疲劳性能得到很大的改善。

(6)热膨胀系数小、尺寸稳定性好

金属基复合材料中所用的增强体短纤维、SiC增强颗粒等均具有很小的膨胀系 数，而且具有很高的模量，特别是那些高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。通过设计复合材料的组成，可以使复合材料的热膨胀系数明显下降，并可以调整增强体的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种情况的需要。通过选择不同的基体和增强体，以一定的比例复合在一起，可以得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。复合材料可以根据不同的要求，灵活地进行产品的设计，具有很好的可设计性．对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置材料，达到节约材料、减轻质量的目的。对于腐蚀性能要求的产品，可以选用耐腐蚀性能好的基体和增强材料。通过对基体和增强材料的特性、组成等设计，可以制备具有导电、导微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等性能的功能复合材料。

(7)抗潮、抗老化、气密性好

与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题， 也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越，在空气中使用不会分解出。

(8)能组成各种功能材料。

复合材料的一大特点是可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能。短纤维复合材料也同样可根据不同的需求，选择不同的增强短纤维和基体合金，形成适用于各种领域中的功能材料。已经应用的领域有电气功能、磁性功能、电磁功能、热功能等复合材料。 (9)减震性能好

结构的自振频率除与结构本身形状有关，还与材料比模量的平方根成正比。复合材料具有高的自振频率，因此工作时就不易引起共振。同时，复合材料中纤维与基体的界面具有吸振能力，因此它对振动有很强的阻尼作用。总之，金属基复合材料具有高的比强度、比模量、良好的导热性、导电性、耐磨性、高温性、

低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性、可设计性好等优异的综合性能，因此金属基复合材料在航天航空、电子、汽车先进武器中有广泛的应用前景。因此在短纤维增强的会属基复合材料设计中，要充分利用基体金属和增强相纤维的性能，通过调整基体和增强相的组成，分布等以及优化组合可以获得比较理想的金属基复合材料。

1．2．2 铝基复合材料的应用

(1)在汽车工业中的应用

美国Duralcan公司已用SiC／AI复合材料一成功的制造了汽车制动盘、汽车发动机活塞、齿轮箱等汽车零件。与铸铁制动盘相比，SiC／A怫0动盘重量减轻了40～60％，耐磨性能优良，噪音明显减小，而且摩擦散热快。与铝合会活塞相比，SiC／AI复合材料汽车活塞具有高的耐磨性，良好的耐高温性能和抗咬合性能，而且热膨胀系数小，导热性较好，而用SiC／A1复合材料制成的汽车齿轮箱的强度和耐磨性均明显高于Al合金齿轮箱。美国DWA公司采用SiC／AI复合材料制造的摩托车活塞耐磨性极佳，装有该活塞的摩托车参加了一年内的100次越野赛，但复合材料活塞无明显磨损。另外，SiC／AI复合材料还适合制作汽车驱动轴、连杆、摇臂等汽车零件。

(2)在航空航天及军工领域的应用

美国DWA特种复合材料公司已用25％SIC／6061A1复合材料代替7075A1制造航空结构导槽、角材。美[]ARCO化学公司所属的先进复合材料分公司ACMC生产35v01％SiC／2024A1复合材料，抗拉强度达800MPa，屈服强度达690，弹性模量高于150GPa，都大大高于基体合金，且热膨胀系数很低，可用来代替Al合金、Ti合金等制造各种飞机结构件，如直升飞机起落架、翼前缘加强筋和大的通用正弦形梁。另外．已用SiC／AI复合材料成功的制成了导弹壳体、轻型坦克履带板、雷达天线、穿甲弹弹托、导弹嵌镶结构等军工用品。

(3)在电子器件、精密仪器和光学仪器中的应用

SiC／AI复合材料热膨胀系数和密度低，导热性能良好，因此己用来制造电子器材、散热片等电子器件。美国亚利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用SiC／AI复合材料制造行架，支架、和副镜等，使重量大大减轻。此外，现己用复合材料制造出了惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光

镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等精密仪器和光学仪器。 (4)在体育用品上的应用

Duralcan公司已用SiC／A1复合材料制成自行车链齿轮，其重量只有427克，且不易挠曲变形、刚度明显高于Al合会链齿轮，该链齿轮己用于越野自行赛车上。由于SiC／Al复合材料具有较高的屈强比，弹性好，Duralcan公司已用SiC／AI复合材料制造出了高尔夫球头试制品和网球拍等高级体育用品。 (5)在机车车辆上的运用

在刹车制动盘上的运用，高速列的轻量化是经济有效的提高铁路运营速度的关键。只本新干线电动车组初速度为270km／h，制动时，要求制动盘重量为机车簧下重量的lO％。R本铁道综合技术研究所采用了SiC颗粒增强的铝基复合材料制造制动盘，在280km／h初速度下进行了实物实验。确认了具有使用化的可能性。复合材料较好的摩擦特性主要归因于陶瓷颗粒对于铝基体的支撑作用和铝基体的极好导性。我国要发展高速铁路，采用铝基复合材料制造刹车盘也将是解决列车制动的重要途径之一。

在车辆转向架及其它车体冲压结构件上的运用：目前，国际上高速列车的车体多由各种牌号的铝合会板材和型材冲压结构件焊接或铆接而成，以代替原来的钢结构，从而减轻车辆重量。铝基复合材料在这方面的运用报道却不多。但这些用于高速车辆车体结构件的铝合会，刚度只有钢的1／3。为了保证车体的刚性，不得不加大构件的断面尺寸，这就限制了高速列车车体进一步轻量化。据资料介绍，陶瓷颗粒增强的铝基复合材料的强度、刚度都比其基体有明显的提高，且仍可进行热、冷压力加工，挤压、轧制成各种标准规格的工业材料，甚至挤压成断面形状复杂的非标准型材也没有出现过困难。这就为铝基复合材料制、造车体冲压结构件提供了可能性加果对复合材料的可焊性进行一些研究和改进，能将其用于车辆转向架和各种车体冲压件构件的制造上，高速列车的车辆就会在保证强度、刚度的前提下，重量在铝合金的基础上进一步减轻，列车对路基、桥梁的荷重要求将会进一步降低，列车速度可进一步提高，能耗将会进一步下降，实现更有效的高速运营，其经济效益和社会效益都将是十分重大的。

1．3 数值模拟在分析多孔金属材料塑性变形过程中的应用

由于多孔体金属材料内部含有大量的孔隙，它的塑性变形过程有其特殊性。

变形时具有体积可压缩、低拉伸塑性、小横向流动及变形和致密都不均匀等特点。所以多孔体金属材料塑性变形规律较致密材料复杂。因此，传统工艺设计中的“经验设计法”往往会造成设计失败以及人力和物力的浪费。随着数值模拟技术的应用和计算机硬件设备的发展，传统的经验设计方法迅速被模拟式设计方法所替代。所谓模拟式设计就是对塑性变形过程中金属流动行为进行适时追踪描述，并在计算机上反复进行数值模拟实验，以揭示金属流动规律和研究各种因素对变形过程的作用和影响。这样金属塑性变形过程的实验可在计算机上进行，其结果如工件的边界形状、应力、应变及密度分布等均可显示在图形终端上，所以可在计算机上对工艺参数和模具形状进行优化。近年来，刚塑性有限元模拟技术已成功地用于分析多孔体材料的塑性变形过程”。

上海交通大学的张兴权等基于多孔体Doraivelu屈服准则和体积可压缩法的刚塑性有限元理论，导出了适合于分析多孔体会属材料塑性变形的有限元公式， 并对多孔体会属材料塑性变形过程进行了数值模拟，分析了摩擦因子、坯料高径 比、模具型式和工件形状等因素对塑性变形的影响。同时还以Lee—Kuhn局部极限应变准则作为破裂体件，分析了摩擦因子坯料高径比、模具型式和工件形状等因素对形成表面裂纹的影响。研究结果表明：摩擦因子越大、坯料的高径比越小，变形和致密越不均匀，工件鼓形部位的密度值最小。模具的型式对材料的变形也有较大的影响，它将导致变形体内部各场量分布不均匀，但有利于多孔体会属材料的致密。圆环内外表面的受力有较大的差别，外表面受较大的周向拉应力。北京科技大学的侯红亮等人，利用QFORM软件对多孔材料挤压过程进行了数值模拟，分析了平均应力与相对密度的关系、初始相对密度对致密速度和挤压力的影响；卫原平等人运用多孔体塑性变形和致密化过程的有限元公式，编制了刚塑性有限元分析程序。通过对粉未烧结图柱体徽粗过程的有限元分析，说明了墩粗过程的变形特性和致密化过程，验证了有限元公式和有限元程序的正确性。A．Shok，G．K Jinka等人基于有限元模型，把整个连杆细分成若干个元素，得到了在锻造过程中，相对密度和温度分布图形形状。结果表明相对密度分布正如模型所预测的那样，在非热状况下的成形工艺是真实的。Y．Morimot和W．Lewis分别运用经实验参数修正后的大矢根屈服准则，采用刚塑性有限元方法分析了粉末体压制成型过程，其模拟结果与实验较为符合。在此基础上，运用有限元方法对圆柱体粉末压

制过程进行计算机模拟，其结果和实验值相接近。

目前，国内外很多研究机构相继开发出一些含有对多孔材料模型分析的商业化有限元软件，如大型通用有限元分析软件MARC、DEFORM、QFORM、ALPID等。这些软件既可对粉末挤压变形过程进行分析，也可对粉末烧结体的塑性变形进行分析。

1．4 有限元分析软件介绍

1979年，美国BattelleColumbus实验室在美国空军基金的资助下开发了 有限元计算成形ALPID(Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)。 该程序为刚塑性及刚粘塑性有限元法通用程序，采用高阶单元，模具及边界 坝f。学位论义条件的人工描述，自动产生初始速度场，并附有绘图程序FEGRA来自动显示中间变形过程的图形，能处理常应力摩擦和Coulomb摩擦。但它只能分析平面问题和轴对称问题，并没有考虑非等温成形的热传导问题和加工设备形式，也没有网格重划分功能。随后几年中，ALPID的开发人员针对用户提出的种 种要求，逐渐将程序完善，并采用Motif界面设计工具，将计算程序发展为 商品化分析软件DEFORM(Design Environment for Forming)，由美国SFTC 公司推广应用。

1．4．1 DEFORM产品系列

经过十多年来的发展．DEFORM产品已经系列化，包括了： (1)DEFORM．2D(二维)

适用于各种常见的UNIX工作站平台(HP，SGI，SUN，DEC，IBM)和Windows．NT微机平台。可以分析平面应变和轴对称等二维模型。它包含了最新的有限元分析技术，既适用于生产设计，又方便科学研究。 (2)DEFORM．3D(三维)

适用于各种常见的UNIX工作站平台(HP．SGI，SUN，DEC，IBM)和Windows．NT微机平台。DEFORM．3D延续了DEFORM系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的传统。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM．3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。相当复杂的工业零件。如连杆，曲轴，扳手，具有复杂筋一翼的结构零件，泵壳和阀体，DEFORM．3D都能够令人满意地例行完成。

(3)DEFORM．PC(微机版)

适用于运行Windows 95，98和NT的微机平台。可以分析平面应变问题和轴对称问题。适用于有限元技术刚起步的中小企业。 (4)DEFORM．PC Pro(Pro版)

适用于运行Windows 95，98和NT的微机平台。比DEFORM．PC功能强大，它包含了DEFORM．2D的绝大部分功能。 (5)DEFORM—HT(热处理)

附加在DEFORM一2D和DEFORM．3D之上。除了成形分析之外，DEFORM．HT还能分析热处理过程，包括：硬度、晶相组织分布、扭曲、残 余应力、含碳量等。

1．4．2 DEFORM系统结构

DEFORM是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入，建立边界条件，它还包括有限元网格自动生成器；模拟处理器是集弹性、弹塑性、刚(粘)塑性、热传导于一体的有限元求解器，真正的有限元分析过程就在模拟处理器中完成，DEFORM运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组，然后通过直接迭代法和Newton．Raphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中获取所需要的结果；后处理器用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式。此外用户还可以列点进行跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察，并可根据需要抽取数据。在模型几何信息的输入方面，DEFORM．2D自身可以制作简易的线框模具，DEFORM．3D不具备实体造型能力，但它提供一些通用的CAD数据接口，如IGES和STL接DEFORM允许用户对其数据库进行操作，对系统设置进行修改，以及定义自己的材料模型等。

1．4．3 DEFORM的功能

DEFORM能够分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用，各种现象之间相互偶合。拥有相应的模块之后，这些偶合将包括：由于塑性变形引起的升温、加热软化、相交控制温度、相交内能、相交塑性、相变应变、应力对

相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等。具体可以分为成形分析和热处理分析两方面的应用。 (1)成形分析：

①冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析，提供材料流动、模具充填、 成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息；

②丰富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钻合会等，用户还可自行 输入材料数据；

③刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析，弹塑 性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题，烧结体材料模型适用于分析粉 未冶会成形；

④完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和 机械压力成形；

⑤温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明 了。 (2)热处理：

①模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程； ②预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量；

③可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布；

④可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。

DEFORM模拟得到的成形载荷、材料的流动情况，成形体和模具在成形过程中的各种物理场分布及模具的弹性变形等重要信息，为塑性加工的工程技术人员提供了一个方便可靠的模具设计和工艺优化环境。DEFORM系统几十年来秉承了力保计算准确可靠的传统。在对大变形工艺如锻造、挤压等工艺的模拟结果都非常准确，相当复杂的工业零件，如连杆，曲轴，扳手，具有复杂筋．翼的结构零件，泵壳和阀体。DEFORM都能够令人满意地例行完成。DEFORM是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门设计用于分析各种金属成形过程中的流动，提供极有价值得工艺分析数据，有关成型过程中的材料和温度流动。DEFORM强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象祸合作用的大变形和热特性。系统中集成了

在任何必要时能够自行触发自动网格重划器，生成优化的网格系统，在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。DEFORM图形界面，既强大又灵活，为用户输入数据和观察结果数据提供了有效工具。

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