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硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料蠕变行为的研究

田君  
【摘要】:镁基复合材料在航空航天、国防工业和汽车工业中有广泛应用前景。研究其蠕变性能及行为是镁基复合材料在高温环境工作的关键要求,然而,目前国内外对短纤维增强镁基复合材料蠕变行为研究得很少。针对镁基复合材料的实际应用与它的蠕变理论研究需要,本研究在众多研究者及本课题组的研究工作的基础上,重点严究了硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的高温蠕变行为,为短纤维增强镁基复合材料的高温蠕变性能及蠕变行为的研究提供一些试验和理论基础,为它们在高温环境中的实际应用提供一些理论上的指导。 对AZ91D基体合金及体积分数为20%、25%、30%的Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料进行不同温度和载荷条件下的拉伸蠕变试验。研究结果表明,Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料的高温蠕变曲线与AZ91D基体的变化趋势不同,蠕变速率随温度和应力的增加而降低,温度和应力是蠕变速率的主要影响因素。随着硅酸铝短纤维的体积分数的增大,AZ91D复合材料的蠕变速率下降,表明抗蠕变能力提高。在相同温度和相近外载下,AZ91D复合材料的蠕变速率远远低于AZ91D基体,说明AZ91D复合材料的抗蠕变能力远远高于AZ91D基体。 AZ91D基体的表观应力指数n=4.5~8.3。Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料表观应力指数n=8~20。Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料与AZ91D基体的真应力指数相同,即n=3。在相同温度下,Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料的蠕变门槛应力要比AZ91D基体的大。Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料的载荷转移因子α随温度和外应力的增高而降低,随短纤维的体积分数增大而增大,它是温度和外应力的函数。Al_2O_3 SiO_2短纤维的存在大大降低了复合材料的有效应力,从而提高了复合材料的抗蠕变能力。Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料具有较高的蠕变表观激活能,高的蠕变表观激活能应归结于复合材料的门槛应力和载荷转移因子α两者对温度依赖性。Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料与AZ91D基体的真蠕变激活能相同,即Q_c* =144.63 KJ/mol,与Al在Mg Al合金中的扩散激活能相近。真蠕变激活能这种与扩散激活能相近的特性,表明蠕变有效应力能很好地描述复合材料的蠕变行为。通过所得到蠕变参数可以建立不同纤维体积分数的AZ91D复合材料及AZ91D基体合金的蠕变本构方程。由蠕变本构方程得到理论曲线与实验曲线吻合得较好,说明所得到本构方程能较好地说明稳态蠕变速率、外应力和温度的蠕变本构关系。 利用有限元分析法研究了Al_2O_3 SiO_2/AZ91D复合材料的界面厚度、界面模量和短纤维位向对纤维最大轴应力和稳态蠕变速率的影响。短纤维最大轴应力出现在纤维中心处,沿纤维长度方向轴应力渐渐减小。在外应力一定时,纤维最大轴应力随界面厚度的增加而减小,稳态蠕变速率随界面厚度的增大而增大。纤维最大轴应力随界面模量的增大而增大,界面模量提高有利于载荷传递,提高蠕变能力。纤维最大轴应力随纤维位向θ角的增大而减小,稳态蠕变速率随θ角的增大而增大,表明纤维的载荷传递和增强能力随θ角的增大而下降。有限元的模拟结果与实验结果能较好地吻合,能较好地解释蠕变行为。 通过SEM、TEM等现代测试手段对AZ91D合金及硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的蠕变行为进行比较细致的研究。结果表明,AZ91D合金的门槛应力(脱离应力)来源于Al原子溶质气团对可动位错的作用力。Al_2O_3 SiO_(2(sf))/AZ91D复合材料的蠕变门槛应力的来源除了Al原子气团对可动位错钉扎作用力外,还有基体与短纤维的应变不一致而产生的对可动位错的拖拽力。通过试验数据得到了门槛应力的经验公式。门槛应力随温度升高而降低,随短纤维的体积分数增大而增大,但增大幅度不大,主要原因是纤维的体积分数增大引起较多数量的βMg_(17)Al_(12)沉淀相析出。载荷转移是硅酸铝短纤维增强体的强化机制。基体与短纤维的应变不一致而产生的对可动位错的拖拽,使得基体中的位错往基体和纤维的界面迁移,位错在界面处堆积密度不断地增大,造成纤维周围应力集中而加速纤维不断地断裂成更短的亚纤维,位错运动至亚纤维端部的距离缩短而得以越过亚纤维末端,这就是位错越过第二相的机制。良好的结合界面在复合材料的蠕变变形中没有发生脱粘现象,弱界面在蠕变中会遭到严重破坏,界面处的孔洞和裂纹在应力的作用下会逐渐扩展,导致复合材料在蠕变过程中不断变形,最终形成宏观裂纹,导致复合材料发生断裂。Al_2O_3 SiO_(2(sf))/AZ91D复合材料及其基体的蠕变机理相同,即:Al_2O_3 SiO_(2(sf))/AZ91D复合材料的蠕变是由基体的蠕变控制,以位错黏滞性滑移控制为主,晶界滑移控制为辅,短纤维的存在阻碍了位错的迁移,降低了蠕变速率,提高了复合材料的蠕变抗力。 本文通过拉伸蠕变试验对三种纤维体积分数的硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料及基体的蠕变行为进行研究,获得了较为全面的蠕变性能参数,通过试验数据及分析得到了它们的蠕变行为方面的相关机理,对短纤维增强的镁基复合材料具有一定的理论与实践指导意义的。


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