噴射沉積SiCp-Al-Si復(fù)合材料的疲勞行為研究.pdf

1、采用噴射沉積法制備的SiCp/Al-Si復(fù)合材料具有密度低、高比強(qiáng)度、高比剛度、低的熱膨脹系數(shù)、高的耐磨性等優(yōu)點，使其在車輛制動材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在實際應(yīng)用中，這些工程構(gòu)件大多都處于循環(huán)載荷下，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，引起疲勞破壞。目前由于缺乏噴射沉積SiCp/Al-Si復(fù)合材料疲勞性能的了解以及常規(guī)疲勞裂紋的機(jī)理研究，制約了該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用。因此研究SiC顆粒增強(qiáng)鋁硅復(fù)合材料的疲勞性能對于構(gòu)件的安全設(shè)計具有十分重要的意義

2、。本論文采用噴射沉積技術(shù)制備了SiCp/Al-Si復(fù)合材料錠坯，系統(tǒng)研究了不同粒徑SiC顆粒以及基體Si含量加入后，復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化與疲勞性能的關(guān)系，分析其在疲勞裂紋形核與擴(kuò)展階段對裂紋擴(kuò)展的遲滯效應(yīng)。主要得到以下結(jié)論：
　　 (1)選擇Al-7Si為基體合金，研究兩種不同粒徑SiCp(4.5μm，20μm)增強(qiáng)復(fù)合材料的微觀組織及其靜態(tài)力學(xué)行為，表明SiC顆粒的加入使復(fù)合材料的彈性模量高于相同工藝制備的基體合金，但是其

3、抗拉強(qiáng)度以及延伸率較低，擠壓坯中SiC顆粒分布有沿擠壓方向排列的趨勢。對比研究4.5μm與20μm SiCp/Al-7Si復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)，前者由于顆粒間距小，顆粒承載大，表現(xiàn)出較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，斷裂方式以SiC顆粒與鋁基體界面脫離為主要形式，而后者表現(xiàn)為SiC顆粒自身的斷裂。
　　 選擇粒徑為4.5μm SiCp為增強(qiáng)相，研究了基體合金分別為Al-7Si、Al-13Si、Al-20Si復(fù)合材料的力學(xué)行為，表明隨Si含量的增

4、加，復(fù)合材料的初晶Si以及共晶Si的體積百分?jǐn)?shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度也隨之增加，同時延伸率隨之降低，脆性增加，初晶Si的斷裂的傾向性提高。
　　 (2)對比研究20μm和4.5μm SiC顆粒增強(qiáng)Al-7Si復(fù)合材料的低周疲勞性能的研究表明，不同粒徑SiC顆粒增強(qiáng)Al-7Si復(fù)合材料包括基體合金在總應(yīng)變控制下，都表現(xiàn)出相似循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為，即循環(huán)硬化，且隨總應(yīng)變幅值的增大，其循環(huán)硬化程度也相應(yīng)的提高。在高應(yīng)變幅值下，前

5、者要高于后者，而在低應(yīng)變幅值下，后者的疲勞壽命較高。其中小尺寸顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料由于受到高位錯密度及低軟化效應(yīng)影響，在低應(yīng)變幅值(0.30％，0.35％，0.40％)下，循環(huán)硬化程度較高，而在高應(yīng)變幅值(0.50％)下，小尺寸顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的軟化效應(yīng)會加劇，其空洞一旦形核就很容易擴(kuò)展并在SiC顆粒聚集區(qū)連接，其硬化效應(yīng)將會受到抑制，循環(huán)硬化程度會降低。
　　 不同Si含量(7％，13％，20％)的4.5μm SiCp/Al-Si

6、的低周疲勞壽命遵循Coffin-Manson關(guān)系式，其疲勞延性系數(shù)ε'f值分別為2.63，1.09和0.85，其疲勞延性指數(shù)c值分別為-0.5284，-0.4506以及-0.5954。在給定塑性應(yīng)變幅值下，Si含量越高，其對應(yīng)的低周疲勞壽命就越低，循環(huán)硬化程度也隨之降低，分析認(rèn)為Si含量的增加導(dǎo)致Si相的斷裂及其Si相與基體界面處大量空洞的形核所造成的微裂紋數(shù)量隨之增多，且隨循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋之間的連接更加容易，加劇了軟化程度，導(dǎo)致

7、應(yīng)力松弛，抵消部分由位錯增殖帶來的硬化效應(yīng)。
　　 (3)不同粒徑SiCp/Al-7Si復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究表明，小尺寸SiC顆粒(4.5μm)增強(qiáng)復(fù)合材料的門檻值ΔKth(3.88 MPa·m1/2)要高于基體合金(3.60MPa·m1/2)以及大尺寸SiC顆粒(20μm)復(fù)合材料(3.63 MPa·m1/2)，且在相同的ΔK水平下，小尺寸顆粒復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展速率始終比基體材料低；20μmSiCp/Al-7Si復(fù)合材料

8、的裂紋擴(kuò)展速率，在近門檻區(qū)以及穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展區(qū)，低于基體材料；而在快速擴(kuò)展區(qū)，則高于基體。增強(qiáng)相SiC顆粒對裂紋偏折以及SiC微裂紋萌生均會使裂紋路徑曲折，提高裂紋擴(kuò)展抗力，特別是SiC顆粒的自身微裂紋萌生是導(dǎo)致小尺寸SiC顆粒復(fù)合材料具有較高的閉合效應(yīng)的主要原因。SiC顆粒對裂紋偏折是20μmSiCp/Al-7Si復(fù)合材料疲勞裂紋門檻值高于基體合金的主要原因。隨ΔK的增加，裂紋穿過SiC顆粒向前擴(kuò)展概率增加，SiC顆粒與基體頻繁分離以及

9、SiC顆粒頻繁斷裂導(dǎo)致該復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展速率會高于基體合金。
　　 不同基體Si含量(7％，13％，20％)復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究表明，在低ΔK下，復(fù)合材料的疲勞裂紋遇到Si顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，Si相有阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，且隨Si含量的增加，裂紋偏轉(zhuǎn)頻率越高，裂紋路徑更為曲折；由于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及彈性模量也Si含量的增加而提高，導(dǎo)致裂紋尖端的張開位移(CTOD)的減小，使得4.5μm SiCp/Al-20Si復(fù)

10、合材料表現(xiàn)出最高門檻值。而在高ΔK下，隨Si含量的增加，疲勞裂紋尖端處由于Si/Al基體界面處空洞的形核以及初晶Si的斷裂所造成的微裂紋就越多，且隨應(yīng)力因子的提高，裂紋尖端處微裂紋的連接更加容易是導(dǎo)致復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展抗力逐漸降低的主要原因。
　　 (4)隨相對密度的提高，SiCp/Al-Si復(fù)合材料熱疲勞裂紋擴(kuò)展的速率下降。裂紋擴(kuò)展速率、顯微硬度隨熱循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出類階段性的起伏變化，體現(xiàn)出熱循環(huán)過程中熱應(yīng)力釋放與產(chǎn)生交