SiCp/Al复合材料残余应力消除技术研究进展

朱志强

摘 要：针对航空航天等工业精密仪器关键零部件因热残余应力高度集中导致其机械性能下降的重要问题，本文从退火时效和机械作用等两个层面综述了SiCp/Al复合材料残余应力消除技术的研究现状，并对其未来发展的整体趋势进行了展望。

关键词：SiCp/Al复合材料;残余应力;塑性变形;消除技术

一、前言

SiCp/Al复合材料由于具备比强度高，导热系数高，热膨胀系数低以及耐摩擦等一系列优异的性能而被广泛应用于航空航天、电子封装、汽车工业以及精密仪器等诸多领域[1]。然而，SiCp/Al复合材料在高温制备过程中极易产生较高的热残余应力，导致复合材料内部的应力集中现象较为显著，为改善复合材料的机械性能产生了极大阻碍。因此，如何有效消除SiCp/Al复合材料内部高度集中的残余应力是当前急需解决的重要难题。目前，关于SiCp/Al复合材料残余应力消除技术的研究主要集中于以下两个层面，即退火时效和机械作用。针对这一研究背景，本文系统性地对SiCp/Al复合材料残余应力消除技术相关研究的进展进行综述，并就其未来发展趋势进行展望。

二、残余应力消除技术

（一）时效法

SiCp/Al复合材料在时效热处理过程中，基体材料承受应力载荷达到屈服极限时会导致微塑性变形现象的发生，使得复合材料内部的残余应力处于松弛状态，因而被缓慢释放;而时效热处理同时还会促使复合材料的内部组织会逐渐趋于稳定，有利于SiCp/Al复合材料机械性能的显著提升。为充分研究时效热处理对SiCp/Al复合材料残余应力的消除规律，国内外相关学者一直在不断优化复合材料的时效热处理工艺。王秀芳等[2]采用数值模拟和实验研究相结合的分析方法，系統性探讨了冷热循环处理工艺对SiCp/Al复合材料残余应力的影响规律。他们认为，冷热循环处理可以有效消除复合材料内部的残余应力，并且处理工艺的上下限温差越大，消除残余应力的效果就更为显著。Qu等[3]借助扫描电镜、X射线应力分析仪等高端测试仪器研究了不同热处理工艺下高体积分数SiCp/Al复合材料残余应力和尺寸稳定性的变化情况。相较于铸态复合材料，初始固溶淬火处理后的SiCp/Al复合材料残余应力发生了急剧降低，时效处理与冷热循环处理均能有效消除复合材料内部的残余应力。随着热处理次数的增加，SiCp/Al复合材料残余应力在逐渐降低，整体的降低趋势有所缓和。从微观机理的角度分析，固溶淬火、时效以及冷热循环处理均会导致基体内部发生微塑性变形，而残余应力正是通过微塑性变形的积累导致应力处于松弛释放的状态。

（二）机械法

机械作用能够促使SiCp/Al复合材料中增强体颗粒与基体的相互挤压，复合材料在制备成型过程中形成的微气孔等结构缺陷均被压实，显著降低了复合材料内部残余应力的集中程度，并且由于微塑性变形现象的发生，导致残余应力通过应力松弛的方式逐渐被部分消除。相较于时效法，机械法对于SiCp/Al复合材料的机械性能影响较小，且更为实用。就目前而言，机械法通常包括振动法[4]、拉伸法、模具冷压法和喷丸强化法等。其中，振动法消除残余应力的原理在于利用振动载荷在一定频率时间内叠加复合材料内部的残余应力，使其达到复合材料的屈服极限以发生微塑性变形，实现残余应力的有效消除。拉伸法是通过施加外力载荷来叠加复合材料内部的残余应力，同样是借助基体内部发生微塑性变形实现残余应力的消除。而模具冷压法则是利用特制的模具，通过迫使复合材料发生冷变形来释放残余应力。相较于前两种机械法，模具冷压法弊端较多，不仅只能够消除局部的热残余应力，同时还易引起冷作硬化以及开裂等现象的发生。喷丸强化法是指将大量的小弹丸高速且连续地喷射到复合材料表面，在弹丸反复撞击的过程中造成复合材料表层发生循环塑性变形，导致SiCp/Al复合材料表面产生强化层的一种行为。从微观机理的角度分析，弹丸强化能够促使晶界发生滑移并引起位错密度逐渐增长，导致复合材料内部生成了一定量级的塑性伸长变形，因而释放了高温冷却过程中产生的残余拉伸应力。同时，SiCp/Al复合材料的局部界面区域由于喷丸强化作用会形成一定量级的残余压应力，使得复合材料内部的缩松以及微气孔等结构缺陷被压实，有效缓解了复合材料内部的应力集中程度。

三、结语

根据以上讨论可以得知，时效法和机械法对SiCp/Al复合材料内部残余应力的消除均具有显著效果，然而这些消除技术同样也具有一定的局限性。例如，时效法工艺复杂、周期冗长，并且难以及时发现材料内部的缺陷，而机械法受材料焊接结构的限制，同时易引起材料发生变形、开裂。因此，在未来的研究过程中，对于SiCp/Al复合材料残余应力消除技术的研究不仅需要优化改进现有的消除技术，还需要探索出更具有普适性和高效率的新消除途径，从而为航空航天以及其他高端高端领域制备高性能金属基复合材料奠定良好的基础。

参考文献

[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，武高辉，姜龙涛，等.冷热循环处理对SiCp/2024Al尺寸稳定性的影响[J].材料热处理学报，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]焦锋，赵波，刘传绍.金属基复合材料SiCp/Al的振动切削特性研究[J].焦作工学院学报（自然科学版），2002，21（4）：275-278.