本文關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料摩擦制動(dòng)服役特性及失效機(jī)制研究　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：本文以我國城軌列車碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(簡稱鋁基復(fù)合材料)制動(dòng)盤為研究對(duì)象,制備出了高質(zhì)量的鋁基復(fù)合材料;采用有限元模擬技術(shù)分析了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的服役特性,研究了鋁基復(fù)合材料在城軌列車制動(dòng)盤服役溫度條件下的熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)制和第三體膜對(duì)摩擦磨損性能的影響。本文開發(fā)了可視化的鋁基復(fù)合材料真空半固態(tài)攪拌制備技術(shù),并采用"稀釋法"制備出了高質(zhì)量鋁基復(fù)合材料,所制備的鋁基復(fù)合材料顆粒分布均勻,抗拉強(qiáng)度、延伸率比直接攪拌制備的鋁基復(fù)合材料分別高9%、17%左右。ANSYS有限元模擬分析表明,城軌列車鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤在某地鐵線路全程往返服役時(shí)的工作溫度區(qū)間為30℃～180℃,連續(xù)兩次緊急制動(dòng)為30℃～260℃。30℃～300℃不同溫度循環(huán)下的熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展研究表明:200μm是熱疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的分界點(diǎn);熱疲勞裂紋的萌生是由鋁基復(fù)合材料中微觀孔洞、微裂紋等損傷連接形成的;熱疲勞裂紋擴(kuò)展具有"臺(tái)階狀"跳躍式的擴(kuò)展特征,緩慢擴(kuò)展與快速跳躍擴(kuò)展交錯(cuò)進(jìn)行;在緩慢擴(kuò)展階段,熱疲勞裂紋主要沿著顆粒界面或穿過α-Al擴(kuò)展;快速跳躍擴(kuò)展則是主裂紋與裂紋尖端孔洞、微裂紋的連接過程;冷熱循環(huán)上限溫度越高,熱疲勞裂紋擴(kuò)展越快,200℃為臨界上限溫度。3℃～300℃溫度區(qū)間的摩擦試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):低于100℃時(shí)鋁基復(fù)合材料表面產(chǎn)生厚度3μm～5μm的第三體膜;隨著摩擦溫度升高,第三體膜逐漸被破壞,摩擦磨損由第三體膜的潤滑摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重的鋁基復(fù)合材料的第三體磨粒磨損;溫度200℃C、載荷200N、轉(zhuǎn)速1500rpm是臨界摩擦條件,試驗(yàn)參數(shù)高于臨界值,磨損率快速升高�？梢詫�(duì)摩擦副施加風(fēng)冷延緩磨損率快速升高的現(xiàn)象。第三體膜的微觀組織和演變過程研究表明:第三體膜是對(duì)磨材料通過轉(zhuǎn)移-堆積-壓實(shí)過程在鋁基復(fù)合材料表面形成的一種動(dòng)態(tài)平衡的混合膜,具有阻熱、潤滑、降低磨損率、穩(wěn)定摩擦系數(shù)的有效作用,它由致密層、過渡層、疏松層組成,厚度可達(dá)5μm～10μm;200N和1500rpm摩擦條件為第三體膜有效作用的臨界條件。本文開發(fā)的高質(zhì)量鋁基復(fù)合材料可視化的真空半固態(tài)攪拌稀釋制備方法、建立的鋁基復(fù)合材料熱疲勞裂紋的臺(tái)階擴(kuò)展模型、揭示的第三體膜對(duì)摩擦磨損的有效作用機(jī)制、闡明的第三體膜潤滑摩擦向鋁基復(fù)合材料第三體磨粒磨損轉(zhuǎn)變的干滑動(dòng)摩擦磨損機(jī)制、以及提出的第三體膜有效作用的臨界條件等研究成果,為我國城軌列車鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的熱疲勞失效分析和摩擦磨損性能調(diào)控提供了理論依據(jù),并對(duì)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的工程應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)作用。
[Abstract]:In this paper, high quality aluminum matrix composites have been prepared by taking the brake disc of silicon carbide particle reinforced aluminum matrix composites (Al-based composites) as the research object. The service characteristics of aluminum matrix composite brake disc were analyzed by finite element simulation technique. The thermal fatigue crack initiation and propagation mechanism of aluminum matrix composites at the service temperature of brake disc of urban rail trains and the effect of the third body film on the friction and wear properties of aluminum matrix composites were studied. A visual vacuum of aluminum matrix composites was developed in this paper. Semisolid stirring technology. High quality aluminum matrix composites were prepared by "dilution method". The particle distribution, tensile strength and elongation of the aluminum matrix composites prepared were 9% higher than those of the aluminum matrix composites prepared by direct stirring respectively. The finite element simulation analysis of about 17%. ANSYS shows that the working temperature range of aluminum matrix composite brake disc in a subway line is 30 鈩，

本文編號(hào)：1361004