非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料的蠕變與回蠕變行為.pdf

1、非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料具有高比強度、高彈性模量和優(yōu)異的高溫性能，制備工藝簡單，成本較低，在航空航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。實際工程應(yīng)用中，非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料常服役于高溫、變載荷工作環(huán)境，載荷的不斷變化造成復(fù)合材料的蠕變性能隨之發(fā)生變化，直接影響到復(fù)合材料零部件的尺寸穩(wěn)定性和壽命，因而研究復(fù)合材料高溫恒載荷和變載荷蠕變行為更具有實際意義。目前，已有的數(shù)值模型無法準(zhǔn)確預(yù)測短纖維增強金屬基復(fù)合材料的變載荷瞬時蠕變行為，顆粒增強金

2、屬基復(fù)合材料變載荷蠕變行為的研究未見報道。原位生成的增強相尺寸處于亞微米量級，當(dāng)材料的微觀結(jié)構(gòu)進入亞微米的介觀結(jié)構(gòu)時，由于界面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，原位超細(xì)顆粒增強金屬基復(fù)合材料可能表現(xiàn)出超過常規(guī)復(fù)合材料的性能。 本論文詳細(xì)研究了非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料的高溫恒載荷和變載荷蠕變性能，分析了不同增強體對復(fù)合材料蠕變性能的影響機制，探討了復(fù)合材料的回蠕變與再蠕變特性規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)原位超細(xì)顆粒增強復(fù)合材料的高溫蠕變性能優(yōu)異于常規(guī)外加顆粒和短纖

3、維增強復(fù)合材料。在大量的實驗基礎(chǔ)上，建立了短纖維增強復(fù)合材料的回蠕變本構(gòu)方程。該方程不僅能夠用于評估短纖維和晶須增強金屬基復(fù)合材料在變載荷條件下的蠕變性能，也可用來設(shè)計新的具有更強蠕變抗力的復(fù)合材料體系。實驗結(jié)果和回蠕變本構(gòu)方程的預(yù)測相符合，表明該方程對于開發(fā)新的金屬基復(fù)合材料體系具有重要的理論指導(dǎo)意義。 在300-400℃下測試了15vol.﹪Al2O3/ZL109短纖維增強復(fù)合材料和10wt.﹪TiB2/ZL109原位超細(xì)顆

4、粒增強復(fù)合材料的恒載荷蠕變性能。結(jié)果表明，與ZL109鋁合金的蠕變速率保持持續(xù)增大不同，Al2O3/ZL109和TiB2/ZL109復(fù)合材料表現(xiàn)出初始蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變、蠕變破壞三個明顯階段。15vol.﹪Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料的名義應(yīng)力指數(shù)為5.7，10wt.﹪TiB2/ZL109原位復(fù)合材料則表現(xiàn)出高的名義應(yīng)力指數(shù)(11.7-12.5)和高的名義蠕變激活能(265kJ/mol)，遠(yuǎn)大于純Al和ZL109鋁合金的值。Al2O

5、3/ZL109短纖維復(fù)合材料的真實應(yīng)力指數(shù)為5，TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的真實應(yīng)力指數(shù)為8。兩種復(fù)合材料的高溫恒載荷蠕變行為都受到基體點陣擴散的控制。TiB2/ZL109原位復(fù)合材料在蠕變中具有穩(wěn)定的亞結(jié)構(gòu)，應(yīng)用亞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定模型合理地解釋了TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變行為。研究發(fā)現(xiàn)，TiB2/ZL109原位復(fù)合材料蠕變存在門檻應(yīng)力的起因是基體合金中原位生成的TiB2超細(xì)顆粒。 對15vol.﹪Al2O3/ZL

6、109短纖維復(fù)合材料和10wt.﹪TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的蠕變斷裂過程進行了研究。Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的蠕變斷裂特征為延性斷裂?；贏l2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和TiB2/ZL109原位顆粒增強復(fù)合材料的蠕變斷裂過程，提出了非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料的蠕變斷裂機理。位錯的運動控制著Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和TiB2/ZL109原位顆粒復(fù)合材料的蠕變變形和斷裂行

7、為。短纖維復(fù)合材料通過纖維阻礙位錯運動和位錯滑移至纖維端部收縮消失來增強基體合金，顆粒復(fù)合材料通過位錯被增強相所釘扎和位錯穿越增強相形成位錯環(huán)來增強基體合金。 350℃下對ZL109鋁合金、15vol.﹪Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和10wt.﹪TiB2/ZL109原位復(fù)合材料進行了變載荷蠕變實驗。研究發(fā)現(xiàn)，外加載荷變化后，ZL109鋁合金在松弛應(yīng)力下繼續(xù)往正方向上蠕變，TiB2/ZL109原位復(fù)合材料在松弛應(yīng)力下不發(fā)生

8、蠕變，而Al2O3/ZL109復(fù)合材料降載后在松弛應(yīng)力下發(fā)生了負(fù)方向上的回蠕變行為。Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料降載后的蠕變曲線可以分為兩個部分，瞬時的彈性變形階段以及隨后的應(yīng)變收縮階段(即回蠕變階段)，瞬時變形階段的應(yīng)變大致等于復(fù)合材料的彈性變形。Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料回蠕變階段的蠕變速率隨松弛時間的延長而減小，在主蠕變的不同階段降載后，回蠕變應(yīng)變隨著主蠕變時間的推移增大，同時增大的幅度越來越小?；厝渥兒笤偌虞d，

9、再蠕變過程中的最小蠕變速率不受加載前回蠕變的影響。 應(yīng)用基體合金局部區(qū)域的蠕變本構(gòu)方程和應(yīng)力松弛方程，定性地解釋了Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料的回蠕變行為，以及回蠕變速率隨松弛時間減小的現(xiàn)象?；诨w合金蠕變引起的纖維與基體的應(yīng)力松弛規(guī)律，建立了短纖維復(fù)合材料的回蠕變本構(gòu)方程應(yīng)用此方程成功地模擬了Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料的回蠕變行為。 本文建立了能用于預(yù)測Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料蠕變行為的

10、有限元分析理想單元模型，通過有限元分析獲得Al2O3/ZL109短纖維增強復(fù)合材料在高溫恒載荷和變載荷條件下蠕變過程的應(yīng)力場分布和應(yīng)變變化情況，對Al2O3/ZL109復(fù)合材料最小蠕變速率的預(yù)測值與實驗值吻合較好。有限元分析表明，Al2O3/ZL109復(fù)合材料的蠕變變形主要受到纖維的蠕變抗力和纖維/基體界面間應(yīng)力傳遞的控制。增大纖維的長徑比有利于應(yīng)力在兩相間傳遞，從而提高短纖維增強復(fù)合材料的蠕變強度。 本文還探討了不同增強體對復(fù)

11、合材料蠕變性能的影響機制，研究發(fā)現(xiàn)增強體的形狀與尺寸決定復(fù)合材料的蠕變性能。體積分?jǐn)?shù)一定時，增強體尺寸越小，復(fù)合材料的蠕變強度越高。研究表明，原位合成超細(xì)顆粒增強復(fù)合材料具有比常規(guī)復(fù)合材料更好的高溫蠕變性能。增強體的形狀則決定了復(fù)合材料的變載荷蠕變行為。短纖維增強復(fù)合材料發(fā)生回蠕變的原因是短纖維的彈性恢復(fù)作用；顆粒增強復(fù)合材料由于門檻應(yīng)力的存在以及缺少短纖維的彈性恢復(fù)作用，在低的松弛應(yīng)力下沒有發(fā)生蠕變變形。未增強的合金材料發(fā)生滯彈性變形