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摘 要

金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其优异的综合性能，近年来在精密光机构件，电子封装等应用方面引起了广泛的关注。

SiCp/Al复合材料基体和增强相之间热膨胀系数的差异，导致材料内部产生热残余应力。热残余应力又会影响材料的力学性能（屈服强度、抗拉强度、塑性、韧性），因此深入研究SiCp/Al复合材料热残余应力是十分必要的。

颗粒复合材料的热残余应力分布比较复杂，但随着计算机技术的迅速发展，有限元软件已经被广泛应用于颗粒增强复合材料的研究，成为定量分析、预测材料综合力学性能的有效工具。本文主要针对SiCp/Al复合材料降温过程中产生的热残余应力进行三维有限元计算，重点研究气孔大小对基体残余应力的影响。其对复合材料的推广运用具有重要的理论意义。

关键词：气孔尺寸 金属陶瓷 热残余应力

Analysis of the influence of porosity size on the thermal residual stress of cermet

Abstract

Metal ceramic with metal toughness, high thermal conductivity and good thermal stability, but also has a ceramic heat, corrosion and wear properties. Metal ceramic is widely used in the Rockets, missiles, supersonic aircraft shell, flame nozzle and other places. The silicon carbide particle reinforced aluminium matrix composites because of their excellent comprehensive properties, in recent years in precision optical components, electronic packaging and other applications has attracted wide attention.

SiCp/Al composite matrix and reinforced phase between the thermal expansion coefficient difference, cause the material to produce thermal residual stress. The thermal residual stress will affect the mechanical properties of the material (yield strength, tensile strength, plasticity, toughness), so the study of SiCp/Al composite material thermal residual stress is very necessary.

Thermal residual stress in this paper, the cooling process of SiCp/Al composites produced by 3D finite element method, focusing on the influence of pore size of the matrix of residual stress.

Keywords: pore size；metal ceramics；thermal residual stress

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1金属基复合材料 1

1.2 SiCp/Al复合材料 4

1.3气孔-铸造缺陷之一 6

第二章 热残余应力 9

2.1复合材料中热残余应力的产生 9

2.2复合材料中热残余应力的影响因素 10

2.3残余应力对复合材料性能的影响 12

第三章 ABAQUS有限元分析 14

3.1有限元理论概述 14

3.2 ABAQUS程序概述 15

3.3ABAQUS基本分析过程 16

第四章 数据分析和结果 22

4.1有限元模型的可视化处理 22

4.2有限元结果分析 24

4.2.1有气孔和无气孔模型的热残余应力比较 24

4.2.2不同尺寸气孔模型的热残余应力比较 25

参考文献 27

致谢 30

第一章 绪论

1.1金属基复合材料

1.1.1金属基复合材料概述

金属基复合材料(Metal matrix Composite，简称MMCs)是以陶瓷(连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒)为增强材料，金属(如铝、镁、钛、镍、铁、铜等)为基体材料而制备的。MMCs问世至今已有40余年，由于具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理性能和力学性能，克服了树脂基复合材料在宇航领域中使用时存在的缺点，得到了令人瞩目的发展，成为各国高新技术研究开发的重要领域。

对金属基复合材料的研究和应用目前处于世界领先的国家主要是美国和日本。美国从20世纪60年代就开始对金属基复合材料进行了研究，70年代转入实用化阶段，到了80年代就开始大量在航天、航空工业中应用。日本在金属基复合材料的研究和发展是起步较晚的，日本工业界大约在20世纪80年代初期，才开始对MMCs的研究投入兴趣，但发展速度却很快，只用了20年左右的时间就迅速在世界金属基复合材料的生产和应用研究领域占据了非常重要的地位。日本不仅成功地大规模制造出了长纤维、晶须等多种类型的MMCs的增强体，而且仅在美国实际应用金属基复合材料两年后，日本的本田汽车公司就首先在气缸体活塞上应用了Al2O3短纤维增强铝合金基复合材料，并实现了大规模工业化生产。从而使日本在90年代末期迅速地走到了MMCs领域的前列。目前，据不完全统计，日本至少有40家左右的公司都在进行金属基复合材料的开发与研究^[1-8]。

目前，金属基复合材料已在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表等行业中显示出了巨大的应用潜力。但是，金属基复合材料由于加工工艺不够完善、成本较高，还没有形成大规模批量生产，因此仍是当前研究和开发的热点。

1.1.2金属基复合材料的特性

金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能。综合归纳金属基复合材料有以下性能特点：

1．高比强度、高比模

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