高强韧耐磨金属基复合材料的模拟设计及研究

Laboratory test and screening technique is often adopted for the research and development of particles reinforced metal matrix composites (PRMMCs), so long test period and limited tests number of the technique result in high cost. In the project, WC and Al2O3 are selected as reinforced particles and Ni and Fe alloys as matrix, and VC++ as well as ANSYS with APDL parameterization language will be employed to develop and build an optimal geometry structure model for PRMMCs with various optional particle characteristics.The mechanical behavior of the PRMMCs with micro-structure characteristic (single and grading particles) will be analyzed. The computer simulation will be verified by the laboratory test results, and the purpose is to obtain by the optimized design a series of PRMMCs with high strength-toughness and wear resistance. The effects of the type, shape, size and concentration of the particles and the interface bonding between the particles and matrix on mechanical property and wear performance will be systematically researched. The research achievements will enrich the reinforcement theory of PRMMCs and propose an innovative and advanced design for the composition and process design of PRMMCs.

颗粒增强金属基复合材料（PRMMC）的研发多采用实验室试验筛选方法，其试验周期长，试验次数有限，试验成本高。本项目选择WC和Al2O3为增强颗粒， Fe基、Ni基合金为基体材料，拟采用计算机模拟与实验室试验相互验证和修正的方法，综合利用VC++语言对ANSYS有限元软件自带的APDL参数化语言进行二次开发，建立可自由改变颗粒特征参数的PRMMCs的几何结构模型，研究分析包含不同细观特性（单一颗粒、级配颗粒）的PRMMCs的力学行为，优化设计出具有高强韧性、高耐磨的PRMMCs体系，深入系统地研究增强颗粒的种类、形状、粒径、体积分数以及增强颗粒与金属基体的界面结合对复合材料力学性能和磨损性能的影响，优化设计出综合性能良好的高强韧耐磨PRMMCs的几何结构模型和成分。研究成果将丰富PRMMCs的强化理论，为PRMMCs的成分和工艺设计提出一个先进、高效的新方法。

单一材料已远远满足不了先进设备对材料耐磨性能的要求，因此迫切需要研发耐磨高强韧颗粒增强金属基复合材料（PRMMC）。PRMMC的研发一般常采用实验室试验筛选方法，试验筛选法试验周期长，试验次数有限，试验成本也较高。因此，采用计算机模拟设计与试验相结合的方法可以大大提高工作效率、降低成本。本项目选择了氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒（ZTAp）、碳化钨颗粒(WCp)、碳化钛颗粒（TiCp）等作为增强颗粒，Fe基合金、Ni基合金作为金属基体，分别开发出MATLAB-COMSOL与Python-ABAQUS两种程序语言，进行了颗粒增强金属基复合材料参数化建模研究，建立了符合复合材料细观结构的几何模型，实现了颗粒形状从理想的球形、椭圆形、方形到接近实际形貌的随机不规则多面体颗粒模型的构建。用Python和ABAQUS开发的基于真实细观结构的随机形貌颗粒的三维模型，使得计算模型更加贴近实际的复合材料，提高了模拟结果的准确度。系统地模拟研究了增强颗粒的种类、形状、粒径、体积分数以及增强颗粒与金属基体的界面结合对复合材料性能的影响。通过对大量仿真结果的分析，指导了颗粒增强复合材料的设计和性能优化，提出了具有高强韧、良好耐磨性的颗粒增强Fe基、Ni基复合材料体系的成分设计。根据模拟优化设计的结果，实验室烧结制备出相应的高强韧陶瓷颗粒增强金属基复合材料。试验研究了颗粒种类、形状、粒径、体积分数以及增强颗粒与金属基体的界面结合对金属基复合材料力学性能的影响规律及作用机理，并将模拟结果与试验结果进行了对比，对模拟模型进行了改进。模拟与试验的相互校正为颗粒增强金属基复合材料的优化设计提供了一种新方法。试验研究得出了颗粒增强金属基复合材料在不同磨损工况下磨损规律及磨损机理。ZTAp/Fe45复合材料在煤矿破碎机上试应用，为颗粒增强金属基复合材料的设计研发及推广应用提供了试验依据。