Cu/WC功能梯度材料细观组织与力学性能的研究

论文摘要

Cu/WC复合材料是目前研究最多的金属基增强复合材料之一,Cu具有良好的导电、导热和抗腐蚀性能,但是其强度低；WC具有较高的硬度、强度和良好的耐磨性、热稳定性,在Cu基中加入第二相增强相WC,可以结合二者的优点,主要用作电阻焊电极和大电流滑动触头用耐磨材料。但是此种均质复合材料在使用过程中,尤其是在高温环境中使用,其热应力缓和问题却得不到很好的解决,从而影响了材料的耐热性、耐久性、耐循环性及使用寿命。功能梯度材料的概念正是基于热应力缓和问题的基础上提出的,与传统均质复合材料不同之处主要在于,其组织和结构在厚度方向上具有明显的梯度变化,导致其在使用过程中所表现出的力学性能与传统的均质复合材料有很大的差异。.本文从功能梯度材料的研究现状和发展趋势出发,采用粉末冶金固相烧结法制备出了三层叠层结构的Cu/WC功能梯度材料,重点研究了不同的制备工艺、二次加工、细观组织的变化对其宏观力学性能的影响,讨论了Cu/WC功能梯度材料在温度载荷、机械载荷以及热-机械载荷耦合作用下的应力分布,并与Cu、WC组成的双材料进行了详细比较。在材料制备的烧结过程中,应用了埋粉烧结技术,得到了细观组织结构较致密的三层Cu/WC功能梯度材料,该制备方法具有设备简单、成本低廉的优点；通过对Cu/WC功能梯度材料的二次加工,证实了制备工艺条件对其细观组织的影响,结合实验检测,重点分析了细观组织的变化与其宏观力学性能之间的紧密联系；采用顺序耦合法,进行了ANSYS有限元模拟,讨论了双材料和功能梯度材料在耦合场作用下应力分布和变化的差异,结果表明功能梯度材料确实有大大缓和热应力的作用。通过本文的研究,为功能梯度材料在制备、性能检测方面提供了以下几点可以利用的技术：（1）埋粉烧结技术对于制备金属／陶瓷类的功能梯度材料是可行的；（2）功能梯度材料的二次加工技术能够明显改善其宏观力学性能,在功能梯度材料的制备过程中可以加以采用；（3）顺序耦合法对功能梯度材料在热-机械耦合场中ANSYS有限元模拟分析中的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 功能梯度材料的原理及概念
• 1.2.1 复合材料的概念及分类
• 1.2.2 功能梯度材料的原理及概念
• 1.3 功能梯度材料的研究现状
• 1.3.1 功能梯度材料的设计
• 1.3.2 功能梯度材料的制备
• 1.3.3 功能梯度材料的特性评价
• 1.3.4 功能梯度材料的应用及发展前景
• 1.4 课题背景
• 1.5 本文的研究目的和主要内容
• 第二章 Cu/WC功能梯度材料的制备
• 2.1 Cu/WC功能梯度材料的制备方法
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 压制成型
• 2.1.3 烧结工艺
• 2.2 细观组织观察及分析
• 2.2.1 试样加工
• 2.2.2 压制压力和保压时间的影响
• 2.2.3 烧结温度和保温时间的影响
• 2.3 功能梯度材料烧结过程分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 Cu/WC功能梯度材料的二次加工对力学性能的影响
• 3.1 二次加工
• 3.1.1 轧制复合机理
• 3.1.2 Cu/WC功能梯度材料的二次加工
• 3.2 细观组织观察及分析
• 3.3 Cu/WC功能梯度材料有效力学性质的确定
• 3.3.1 功能梯度材料力学性质的预测公式及理论计算
• 3.3.2 电测法测量弹性模量
• 3.4 强度检测及分析
• 3.5 断口形貌分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 功能梯度材料在热-机械耦合作用下有限元分析
• 4.1 ANSYS热-结构耦合分析的两种方法
• 4.2 基于ANSYS参数化的建模
• 4.3 温度载荷作用下有限元模拟
• 4.4 机械载荷作用下有限元模拟
• 4.5 热-机械耦合作用下有限元模拟
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 功能梯度材料研究中存在的问题
• 5.3 本文创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文及参与项目