SiCfTi-6Al-4V復合材料的宏細觀力學性能研究.pdf

1、連續(xù)S iC纖維增強T i基復合材料（SiCf/Ti)具有高比強度、比剛度、比模量以及良好的高溫性能和疲勞性能等優(yōu)點，用于制作葉片、機匣和整體盤等航空零部件，可大大減輕航空發(fā)動機的重量，提高飛行器的工作效率。然而 SiCf/Ti基復合材料能否成功應用，力學性能是關(guān)鍵。一方面，由于纖維和基體熱膨脹系數(shù)的差異，SiCf/Ti基復合材料從制備溫度冷卻到室溫時會產(chǎn)生高的殘余應力，從而影響其力學性能；另一方面，SiCf/Ti復合材料本身存在嚴重的

2、各向異性，橫向性能遠低于縱向性能，而復合材料在服役過程中難免受到一些橫向力的作用。此外，SiCf/Ti復合材料經(jīng)常在高溫環(huán)境下工作，而鈦合金基體在高溫下的一個主要性能特點就是蠕變。因此，全面研究SiCf/Ti基復合材料的殘余應力、縱向性能、橫向性能和蠕變性能，對制備技術(shù)的改進和力學性能的提高都具有重要的指導作用。
　　采用ANSYS有限元分析軟件，建立三維模型，系統(tǒng)分析纖維排布方式、體積分數(shù)和基體性能等因素對復合材料徑向、軸向和周

3、向殘余應力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，界面徑向殘余應力沿纖維周向分布的不均勻性隨纖維體積分數(shù)的增加而增加，但纖維六方排布時這種不均勻性增加的幅度遠低于四方和四方對角排布時增加的幅度；界面軸向殘余應力基本不受纖維排布方式的影響沿纖維周向的分布都比較均勻，尤其是纖維體積分數(shù)較高時；界面周向殘余應力受纖維排布方式影響與徑向殘余應力類似?；w和纖維熱膨脹系數(shù)越接近，熱殘余應力就越小，沿纖維周向分布的均勻性也越好;基體彈性模量越大，復合材料界面殘余應力

4、越大;基體屈服強度大于某一臨界值時界面殘余應力不隨屈服強度的改變而改變，反之，界面殘余應力隨屈服強度的減小而減小。
　　通過有限元與Monte-Carlo相結(jié)合的方法研究了界面剪切強度、纖維體積分數(shù)和個別低強度纖維的提前斷裂對SiC/Ti-6Al-4V復合材料縱向拉伸性能的影響。結(jié)果表明，界面結(jié)合強度低，復合材料斷裂模式為非共面失效，且低應力下個別纖維的提前斷裂會使應力-應變曲線上出現(xiàn)兩個非線性拐點（分別對應于提前斷裂纖維的界面脫

5、粘和基體屈服）同時使縱向抗拉強度降低；界面結(jié)合強度高，斷裂模式為接近共面的災難性失效，這種情況下復合材料抗拉強度基本不變。纖維體積分數(shù)對復合材料抗拉強度影響較大，體積分數(shù)越高，抗拉強度越高，但相應的拉伸應變正好相反。
　　采用掃描電鏡和能譜儀等設(shè)備研究了SiCf/C/Ti-6Al-4V復合材料在不同熱暴露條件下的界面及力學行為。結(jié)果表明，界面層厚度隨熱暴露溫度的升高和時間的延長而增大；C涂層有剩余時界面反應物僅為TiC; C涂層被

6、消耗完時，除T iC外，反應產(chǎn)物中可形成鈦的硅化物Ti3SiC2和Ti5Si3;制備態(tài)及750℃/36h熱暴露后的SiCf/C/Ti-6Al-4V復合材料縱向拉伸過程中有明顯的纖維拔出現(xiàn)象，且沿著纖維排布均勻性較差甚至有個別纖維呈現(xiàn)搭接的區(qū)域，基體出現(xiàn)明顯的斷裂臺階；900 C/60 h真空熱暴露后SiCf/C/Ti-6Al-4V復合材料拉伸過程中纖維沒有拔出且在同一位置斷裂，屬典型的脆性斷裂。
　　根據(jù)纖維周期性分布的特征，通過

7、二維平面應變模型探討了橫向拉伸載荷下SCS-6/Ti-6Al-4V復合材料界面的失效機制及各種失效機制下的橫向性能。結(jié)果表明，高界面結(jié)合強度下，無論纖維體積分數(shù)的高低，界面失效模式都傾向于單純的徑向失效，且溫度越高，徑向失效的可能性越大；低界面結(jié)合強度下，界面失效模式為切向失效導致徑向失效或先切向失效接著發(fā)生徑向失效，且溫度和纖維體積分數(shù)越低，后者發(fā)生的可能性越大。位移載荷下，復合材料橫向拉伸的應力-應變曲線，在界面結(jié)合強度無限大時為僅