Cu-B-4C复合材料的损伤演变：颗粒尺寸、压实方法和温度的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Damage Evolution in Cu-B 4C Composites: Influence of Particle Size, Compaction Method, and Temperature

本研究通过粉末冶金工艺制备了纳米和微米级B4C颗粒增强的Cu-B4C复合材料，考察了加工温度（500-900°C）、加载速率（SHB/DH/QS）及颗粒尺寸对损伤演变的影响。实验表明，纳米复合材料损伤率低于微米级，高温（>700°C）和低应变率（<50×10?3s?1）可抑制裂纹扩展。基于多元线性回归模型（MLR）建立了损伤预测方程，其均方根误差（RMSE）仅为0.02，有效指导了工艺优化。

　　

S.S. Jafari|K. Rahmani|G.H. Majzoobi

伊朗哈马丹技术大学机械工程系，哈马丹

摘要

本研究探讨了添加了纳米级和微米级B₄C颗粒的Cu-B₄C复合材料的损伤行为。这些复合材料采用粉末冶金（PM）技术制备，并经历了不同的加工条件，包括加工温度（500–900°C）、加载速率（Split Hopkinson Bar (SHB)、Drop Hammer (DH) 和 Santam (QS) 以及颗粒尺寸。损伤参数基于杨氏模量的减小进行量化，并开发了一个预测模型，以描述损伤演变与应变率、温度、增强体体积分数和颗粒长宽比之间的关系。结果表明，纳米复合材料的损伤程度低于微米复合材料；较高的加工温度和较低的应变率通常可以减少损伤。本研究引入了一种使用多元线性回归（MLR）的方法来预测Cu-B₄C复合材料的损伤，其均方根误差（RMSE）为0.02，具有较高的准确性。该工作通过结合QS、DH和SHB等压实方法的影响，扩展了以往的研究成果，为Cu-B₄C复合材料的损伤机制提供了新的见解，并提供了一个优化其加工条件的预测模型。

章节摘录

1- 引言

铜（Cu）因其优异的电导率和热导率而在许多行业中得到应用，从电气部件到热交换器[1]。然而，由于其强度较低，在重载应用中的适用性受到限制。为提高合金的强度，目前正在进行相关研究，包括沉淀硬化和添加陶瓷增强体[2]、[3]、[4]。其中，陶瓷颗粒增强的铜基复合材料

2- 材料与方法

本研究旨在探讨添加了纳米级（B₄C np）和微米级（B₄C mp）碳化硼颗粒的Cu-B₄C复合材料的损伤演变。基体材料为高纯度（99.99%）铜粉，颗粒尺寸为45 μm，由德国默克公司提供。B₄C纳米颗粒呈球形，平均粒径为25 nm；微米颗粒也呈球形，平均粒径为3 μm。图1展示了扫描电子显微镜下的图像

密度测量

相对密度是粉末压实过程中最重要的可测量参数之一，特别是在金属基复合材料（MMCs）的生产中。该参数通过实验测得的密度与理论密度之比来计算[39]、[40]：$$

实验密度是根据阿基米德原理[12]确定的。Cu-B₄C纳米复合材料和微米复合材料的理论密度是通过特定公式计算得出的

损伤演变的预测建模

在本研究中，实验测得的损伤参数（D）被建模为四个关键变量的函数：应变率（$$）、温度（$$）、增强体体积分数（$$）和颗粒长宽比（S）。本研究采用了多元线性回归（MLR）分析[54]，这是一种成熟的统计方法，用于建立因变量f(x)与一组自变量x_i之间的关系。尽管系数是通过MLR获得的，但

4- 结论

本研究探讨了Cu-B₄C复合材料的损伤演变机制。考虑的关键因素包括温度、加载速率、增强体体积分数和颗粒尺寸。复合材料通过三种不同的压实方法（QS、DH和SHB）进行制备。研究得出了以下主要结论和机制解释：

•

压实方法：与DH和SHB相比，QS方法在最小化损伤演变方面表现出最佳性能

CRediT作者贡献声明

Seyedsajad Jafari：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。G.H. Majzoobi：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、监督、软件使用、项目协调、方法论设计、实验研究。Kaveh Rahmani：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、监督、资源管理、项目协调

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。