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，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)域作為承受動載的構(gòu)件有廣泛的應(yīng)用前景。而顆粒增強鋁基復(fù)合材料由于其更好的各向同性性能以及相對低廉的生產(chǎn)成本，在工程應(yīng)用上具有廣泛的前景。
　　針對復(fù)合材料在工程應(yīng)用中面對的力學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)合材料的增強相顆粒。碳化硼顆粒具有相對于碳化硅、氧化鋁等陶瓷材料更高的強度、熱穩(wěn)定性，并能與鋁基體更好的潤濕，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)計要求。
　　碳化硼顆粒增強復(fù)合材料的強度與增強顆粒的含量密切相關(guān)，理論上復(fù)合材料的強度隨顆粒含量的上升而增加，但過高的顆粒含量會引入大量界面與缺陷，同時增大生產(chǎn)加工難度。本文采用粉末冶金法制備了質(zhì)量分數(shù)為30％的碳化硼增強鋁基復(fù)合材料，并將其加工為成型良好的3mm厚板材。同時對復(fù)合材

3、料的拉伸性能與疲勞性能進行了實驗，以表征其靜態(tài)、動態(tài)力學行為并分析其失效機制。
　　研究表明碳化硼增強鋁基復(fù)合材料的拉伸強度達到了267.25 MPa，相對于作為對比的工業(yè)6061鋁合金稍有下降，但是剛度有明顯提升，達到了110 GPa。
　　鋁基碳化硼增強復(fù)合材料相對于6061Al高周疲勞性能有明顯提升，其疲勞極限達到了165.7 Mpa，相比6061Al合金有顯著提高。但是當復(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、服強度時，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制并通過實時的聲發(fā)射信號對其微觀組織在疲勞過程中的演化進行探究，本研究對復(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階段。本研究對其疲勞應(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)射實時表征復(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出現(xiàn)聲發(fā)射信號的急劇增長，且增長的聲發(fā)射信號均為中低振幅信號，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。
　　同時可以看到聲發(fā)射的信號的振幅與復(fù)合材料的動態(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)射信號從另一方面給出了顆粒增強復(fù)合