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梯度分布的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备,组织和力学行为

许富民  
【摘要】: SiC颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料(MMCs)中最具有广泛应用前景的一种新型高技术材料。由于其优异的高温强度,高耐磨性,高比刚度等力学性能和良好的可加工性等优点,已经在航空航天、汽车和其它制造业作为结构材料得到了应用。最近,高体积分数的SiC颗粒增强铝基复合材料还由于其高热导率和低热膨胀系数等特性在半导体和电子行业有了新的应用前景。如果使增强体在一个方向上连续或逐级变化,就更加满足于实际结构和功能的需要,这就是功能梯度材料的概念。本论文,选择最具有广泛应用前景的SiC颗粒增强铝基复合材料,设计和制备了梯度分布的SiC颗粒增强铝基梯度复合材料,研究了梯度分布的SiC增强体对材料的力学行为,特别是亚临界扩展阻力和疲劳裂纹扩展行为的影响。 本论文由6章组成。第1章概述了不连续增强铝基复合材料和功能梯度材料的研究和开发动态,在此基础上提出了功能梯度材料的研究开发以及应用的问题点,针对这些问题点阐述了本论文的研究目的和内容。 第2章设计并采用堆层粉末冶金法制备了梯度分布的SiC颗粒增强铝基梯度复合材料(简称梯度复合材料),其SiC颗粒体积百分数从5%到30%梯度变化。为了比较,用相同制备工艺制备了均匀分布的SiC颗粒增强铝基梯度复合材料(简称均匀复合材料)和双层梯度复合材料(两层SiC颗粒体积分数分别为5%和15%)。显微组织观察表明,由于Al基体很好的融合成一体,因而尽管在低倍率下分辨出梯度复合材料由不同含量的层组成,但是在高倍率下没有明显的层与层之间的界面。密度测定结果表明,密度随着SiC的增加而增加,到15%达到最大值;SiC含量超过15%之后,复合材料的密度略有降低减小。对梯度复合材料的硬度测试表明,其硬度与SiC颗粒体积分数之间呈抛物线型关系。 第3章研究了梯度复合材料的拉伸强度和亚临界裂纹扩展阻力行为。通过对梯度复合材料进行拉伸试验,提出了评价各层拉伸屈服强度、断裂强度和弹性模量的方法。研究结果表明,屈服强度和断裂强度与SiC颗粒体积分数呈线性关系,弹性模量与SiC颗粒体积分数符合平方关系。梯度复合材料的拉伸断裂方式独特,由于变形协调导致的应力重新分配,使得高SiC层所承受的应力远大于平均应力,从而导致其首先开裂,随后裂纹向低SiC层扩展。对梯度分布的SiC颗粒增强铝基复合材料的亚临界裂纹扩展的研究表明,当裂纹从高SiC层向低SiC层扩展时,表现出随着裂纹长度增加裂纹扩展阻力增加的R曲线行为。这是由于当SiC含量较高时裂纹尖端基体的变形会受到刚性增强体的强烈约束,随着裂纹长度增加,SiC含量降低,裂纹尖端被更多的韧性基体包围,从而易于产生塑性变形,因此裂纹扩展阻力增大。 第4章研究了双层梯度复合材料的疲劳裂纹扩展行为。研究表明,在相同的应力强度因子范围条件下,当裂纹从高SiC层向低SiC层扩展时,双层梯度复合材料的疲劳扩展速率比均匀复合材料的低,即双层梯度复合材料具有较高的抵抗疲劳裂纹扩展的能力。利用有限元分析模拟了双层梯度复合材料制备后试样中残余应力的分布,在双层梯度复合材料的界面附近残余应力发生了突变,由于残余拉应力位于裂纹的尖端前方增大了裂 摘要 面面面面面面面石面面面亩亩面面面亩面面面石玉面面面面石面 纹尖端的有效应力强度因子范围,因此残余应力的变化对裂纹扩展起加速作用。但是, 高SIC层的粗糙度引起的闭合效应起阻碍裂纹扩展作用,而且当裂纹越过层间界面过渡 区之后残余拉应力逐渐减小,造成裂纹扩展速度降低。另外在层间界面过渡区裂纹扩展 路径发生偏折,这也是双层梯度复合材料疲劳裂纹扩展延滞的原因之一。 第5章研究了多层梯度复合材料的疲劳裂纹扩展行为。研究表明,当疲劳裂纹从低 SIC层向高SIC层扩展时,在相邻两层过渡区会发生裂纹扩展延滞。对裂纹扩展路径和 断口形貌的观察发现,在层间界面过渡区裂纹扩展发生偏折和分枝现象。建立了裂纹偏 折模型,解释了裂纹偏折可以造成的疲劳裂纹扩展延滞。裂纹分枝可释放裂纹扩展驱动 力的应变能,也会造成疲劳裂纹扩展延滞。当疲劳裂纹从高siC层向低siC层扩展时, 在相邻两层过渡区也会发生裂纹扩展延滞。但是此时的裂纹扩展延滞效果相对低。对裂 纹尖端应力场分析表明,由于层间过渡区的弹性失配屏蔽了裂纹尖端驱动力,‘裂纹扩展 从低强度材料进入高强度材料过程中,裂纹尖端有效驱动力降低。因此,当裂纹从低增 强体含量向高增强体含量扩展时,裂纹偏折、裂纹分枝、弹性失配以及塑性失配以及残 余应力共同起作用,导致裂纹扩展延滞;而当裂纹从高增强体含量向低增强体含量扩展 时,裂纹闭合效应和裂纹偏折起主要作用导致裂纹扩展延滞。 第6章对本论文的研究进行了总结,归纳出了主要结论和创新点,并且提出了未来 功能梯度材料研究和开发的展望。


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