轨道车辆制动用喷射沉积铝硅复合材料的疲劳行为及其机理研究

At present, the main problems restricted the development of brake are the problem of operation stability and service life. And the the fatigue properties of brake materials on the core component are the most important influence factors.The SiCp/Al-Si composite produced by spray deposition exhibit incomparable advantages when used as brake rotors in vehicle. However, the research on fatigue properties behavior of spray-deposited aluminum silicon composite has been lacked. Therefore, a comprehensive study on the fatigue behavior of the as-sprayed SiCp/Al-Si composites is of great significance in the safety design for the braking components. In the present work, the SiCp/Al-Si composites ingots have been successfully prepared by spray deposition. The influence of the SiC particle size,volume fraction, the Si content,and the coupling introduction of mechanics load and temperature load in the brake conditon on the microstructures, fatigue properties and fatigue crack behavior of the as-sprayed have been systematically investigated and the response relations between microsture and fatigue performance have been especially analyzed and cleared.Then, the modle of fatigie life has been estimated. The work of fatigue failure mechanism and mode will be particularly valuable to the track vechile brake industry and be development of key techologies of fatigue system info of aluminum matrix composite.

目前，制约制动盘发展的主要问题是运行的稳定性及使用寿命，其核心部件制动材料的疲劳性能是影响运行稳定性及使用寿命的主要原因之一。喷射沉积铝硅复合材料是新一代理想的轨道车辆制动盘材料。但是，缺乏对喷射沉积铝硅复合材料的疲劳行为的研究。本项目设计和制备喷射沉积SiCp/Al-Si复合材料，在模拟制动工作环境下进行铝硅复合材料的疲劳试验，研究铝硅复合材料的微观组织（增强颗粒尺寸、体积分数、Si含量）、制动过程中的温度荷载和机械荷载对复合材料疲劳特性影响的规律；结合疲劳变形过程中材料内部的微观组织演变与应力分析，明晰微观组织与疲劳性能的响应关系，揭示疲劳断裂的微观机制，建立疲劳寿命预测模型，为铝基复合材料在轨道车辆上的应用及新型制动盘材料的开发提供理论基础，同时对丰富铝基复合材料的疲劳断裂机理理论具有重要意义。

为了解决轨道车辆制动过程中的运行稳定性和使用寿命问题—制动盘材料的疲劳性能，本项目设计、制备了系列铝基复合材料，研究了复合材料在模拟制动工况环境下的疲劳行为，分析了SiC颗粒尺寸、Si含量、温度、载荷对复合材料疲劳特性影响的规律；探讨了复合材料微观组织和疲劳性能的微观响应关系，揭示了复合材料的疲劳微观机制。通过喷射沉积法制备了系列铝基复合材料，发现小尺寸SiC颗粒复合材料表现出较高的弹性模量和抗拉强度；相同尺寸SiC颗粒复合材料而言，随Si含量的增加, 复合材料的初晶Si以及共晶Si的体积百分数、弹性模量、屈服强度以及抗拉强度也随之增加, 同时延伸率随之降低。不同粒径增强颗粒复合材料疲劳裂纹扩展行为研究表明，小尺寸SiC颗粒增强复合材料的门槛值ΔKth要高于基体合金以及大尺寸SiC颗粒复合材料；分析认为增强相SiC颗粒对裂纹偏折以及SiC微裂纹萌生是导致小尺寸SiC颗粒复合材料具有较高的闭合效应的主要原因。不同Si含量复合材料疲劳裂纹扩展行为研究表明，在低K下，复合材料的疲劳裂纹扩展速率随Si含量增加而降低，而在高K下呈相反趋势。对比大尺寸和小尺寸颗粒增强复合材料的低周疲劳性能，发现，在高应变幅值下，前者要高于后者，而在低应变幅值下，后者的疲劳寿命较高。复合材料的低周疲劳寿命随Si含量增加而降低，循环硬化程度也随之降低。复合材料在载荷循环下，试样拉伸应变值在最高温度450℃时最大，在最低温度25℃时最小，其平均应变有朝着更大的拉伸应变方向移动的趋势。研究复合材料在温度循环和应变循环控制下的滞后回线，发现其半寿命周期的应力幅值低于第一周期，表现出很明显的循环软化现象。基于疲劳裂纹扩展曲线，对已存疲劳裂纹的复合材料的剩余疲劳寿命进行预测，发现其 数值解与试验值基本一致。采用有限元软件对制动盘的制动工况进行模拟，得到制动盘的温度场、应力场以及危险部位的应力谱；依据裂纹萌生和扩展理论对制动盘进行疲劳寿命预测。通过本项目资助，发表论文5篇，其中SCI收录4篇，CSCD1篇，国际国内会议上发表论文3篇；举办国内会议1次；正在培养承担项目研究生工作的硕士研究生3人, 项目的负责人获2015年度湖南省青年骨干教师培养对象。本项目相关研究成果为新型制动盘铝基复合材料的设计与开发提供理论基础，同时进一步丰富铝基复合材料的疲劳断裂理论。