B4C-6061Al復(fù)合材料疲勞損傷及斷裂行為研究.pdf

1、鋁基復(fù)合材料由于其輕質(zhì)高強(qiáng)，具有優(yōu)秀的比剛度，耐磨性能以及疲勞性能，因而在交通、航空領(lǐng)域作為承受動(dòng)載的構(gòu)件有廣泛的應(yīng)用前景。而顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于其更好的各向同性性能以及相對(duì)低廉的生產(chǎn)成本，在工程應(yīng)用上具有廣泛的前景。
　　針對(duì)復(fù)合材料在工程應(yīng)用中面對(duì)的力學(xué)性能以及功能性要求，本研究采用了碳化硼顆粒作為鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相顆粒。碳化硼顆粒具有相對(duì)于碳化硅、氧化鋁等陶瓷材料更高的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性，并能與鋁基體更好的潤(rùn)濕，產(chǎn)生良好的

2、界面結(jié)合，從而得到更好的整體性能。同時(shí)碳化硼由于其較低的密度，且10B可為復(fù)合材料提供良好的中子屏蔽、吸收性能，復(fù)合材料也因此符合輕量化，功能化的設(shè)計(jì)要求。
　　碳化硼顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度與增強(qiáng)顆粒的含量密切相關(guān)，理論上復(fù)合材料的強(qiáng)度隨顆粒含量的上升而增加，但過高的顆粒含量會(huì)引入大量界面與缺陷，同時(shí)增大生產(chǎn)加工難度。本文采用粉末冶金法制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％的碳化硼增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并將其加工為成型良好的3mm厚板材。同時(shí)對(duì)復(fù)合材

3、料的拉伸性能與疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以表征其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)行為并分析其失效機(jī)制。
　　研究表明碳化硼增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了267.25 MPa，相對(duì)于作為對(duì)比的工業(yè)6061鋁合金稍有下降，但是剛度有明顯提升，達(dá)到了110 GPa。
　　鋁基碳化硼增強(qiáng)復(fù)合材料相對(duì)于6061Al高周疲勞性能有明顯提升，其疲勞極限達(dá)到了165.7 Mpa，相比6061Al合金有顯著提高。但是當(dāng)復(fù)合材料所承受疲勞載荷逐漸接近并超過復(fù)合材料屈

4、服強(qiáng)度時(shí)，疲勞壽命出現(xiàn)急劇下降。
　　為了探究 B4C/6061Al復(fù)合材料的疲勞損傷機(jī)制并通過實(shí)時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)其微觀組織在疲勞過程中的演化進(jìn)行探究，本研究對(duì)復(fù)合材料在高應(yīng)力疲勞范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變行為進(jìn)行了分析。根據(jù)復(fù)合材料的疲勞應(yīng)變累積速率，可將其疲勞壽命分為三個(gè)階段。本研究對(duì)其疲勞應(yīng)變，塑性變形耗散能以及疲勞應(yīng)力峰值之間的關(guān)系進(jìn)行探討，經(jīng)過整理數(shù)據(jù)以及線性擬合發(fā)現(xiàn)，上述參數(shù)之間存在一定線性關(guān)系。
　　對(duì)于復(fù)合材料疲勞過程

5、的損傷及斷裂過程，使用了聲發(fā)射方法進(jìn)行分析，并通過建立聲發(fā)射-應(yīng)變耦合分析的方法，使用聲發(fā)射實(shí)時(shí)表征復(fù)合材料的疲勞損傷過程。經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料在裂紋萌生之前會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的急劇增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)的聲發(fā)射信號(hào)均為中低振幅信號(hào)，顯示了復(fù)合材料顆粒/基體脫粘是復(fù)合材料斷裂的基本形式。
　　同時(shí)可以看到聲發(fā)射的信號(hào)的振幅與復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)彈性模量呈相關(guān)性，結(jié)合復(fù)合材料在疲勞損傷過程中的剛度衰減原則，聲發(fā)射信號(hào)從另一方面給出了顆粒增強(qiáng)復(fù)合