非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的蠕變與回蠕變行為.pdf

1、非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高彈性模量和優(yōu)異的高溫性能，制備工藝簡單，成本較低，在航空航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)際工程應(yīng)用中，非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料常服役于高溫、變載荷工作環(huán)境，載荷的不斷變化造成復(fù)合材料的蠕變性能隨之發(fā)生變化，直接影響到復(fù)合材料零部件的尺寸穩(wěn)定性和壽命，因而研究復(fù)合材料高溫恒載荷和變載荷蠕變行為更具有實(shí)際意義。目前，已有的數(shù)值模型無法準(zhǔn)確預(yù)測短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的變載荷瞬時(shí)蠕變行為，顆粒增強(qiáng)金

2、屬基復(fù)合材料變載荷蠕變行為的研究未見報(bào)道。原位生成的增強(qiáng)相尺寸處于亞微米量級(jí)，當(dāng)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)入亞微米的介觀結(jié)構(gòu)時(shí)，由于界面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，原位超細(xì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可能表現(xiàn)出超過常規(guī)復(fù)合材料的性能。 本論文詳細(xì)研究了非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高溫恒載荷和變載荷蠕變性能，分析了不同增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料蠕變性能的影響機(jī)制，探討了復(fù)合材料的回蠕變與再蠕變特性規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)原位超細(xì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的高溫蠕變性能優(yōu)異于常規(guī)外加顆粒和短纖

3、維增強(qiáng)復(fù)合材料。在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的回蠕變本構(gòu)方程。該方程不僅能夠用于評(píng)估短纖維和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在變載荷條件下的蠕變性能，也可用來設(shè)計(jì)新的具有更強(qiáng)蠕變抗力的復(fù)合材料體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和回蠕變本構(gòu)方程的預(yù)測相符合，表明該方程對(duì)于開發(fā)新的金屬基復(fù)合材料體系具有重要的理論指導(dǎo)意義。 在300-400℃下測試了15vol.﹪Al2O3/ZL109短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和10wt.﹪TiB2/ZL109原位超細(xì)顆

4、粒增強(qiáng)復(fù)合材料的恒載荷蠕變性能。結(jié)果表明，與ZL109鋁合金的蠕變速率保持持續(xù)增大不同，Al2O3/ZL109和TiB2/ZL109復(fù)合材料表現(xiàn)出初始蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變、蠕變破壞三個(gè)明顯階段。15vol.﹪Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料的名義應(yīng)力指數(shù)為5.7，10wt.﹪TiB2/ZL109原位復(fù)合材料則表現(xiàn)出高的名義應(yīng)力指數(shù)(11.7-12.5)和高的名義蠕變激活能(265kJ/mol)，遠(yuǎn)大于純Al和ZL109鋁合金的值。Al2O

5、3/ZL109短纖維復(fù)合材料的真實(shí)應(yīng)力指數(shù)為5，TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的真實(shí)應(yīng)力指數(shù)為8。兩種復(fù)合材料的高溫恒載荷蠕變行為都受到基體點(diǎn)陣擴(kuò)散的控制。TiB2/ZL109原位復(fù)合材料在蠕變中具有穩(wěn)定的亞結(jié)構(gòu)，應(yīng)用亞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定模型合理地解釋了TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)蠕變行為。研究發(fā)現(xiàn)，TiB2/ZL109原位復(fù)合材料蠕變存在門檻應(yīng)力的起因是基體合金中原位生成的TiB2超細(xì)顆粒。 對(duì)15vol.﹪Al2O3/ZL

6、109短纖維復(fù)合材料和10wt.﹪TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的蠕變斷裂過程進(jìn)行了研究。Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和TiB2/ZL109原位復(fù)合材料的蠕變斷裂特征為延性斷裂。基于Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和TiB2/ZL109原位顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的蠕變斷裂過程，提出了非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的蠕變斷裂機(jī)理。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)控制著Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和TiB2/ZL109原位顆粒復(fù)合材料的蠕變變形和斷裂行

7、為。短纖維復(fù)合材料通過纖維阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)滑移至纖維端部收縮消失來增強(qiáng)基體合金，顆粒復(fù)合材料通過位錯(cuò)被增強(qiáng)相所釘扎和位錯(cuò)穿越增強(qiáng)相形成位錯(cuò)環(huán)來增強(qiáng)基體合金。 350℃下對(duì)ZL109鋁合金、15vol.﹪Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料和10wt.﹪TiB2/ZL109原位復(fù)合材料進(jìn)行了變載荷蠕變實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，外加載荷變化后，ZL109鋁合金在松弛應(yīng)力下繼續(xù)往正方向上蠕變，TiB2/ZL109原位復(fù)合材料在松弛應(yīng)力下不發(fā)生

8、蠕變，而Al2O3/ZL109復(fù)合材料降載后在松弛應(yīng)力下發(fā)生了負(fù)方向上的回蠕變行為。Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料降載后的蠕變曲線可以分為兩個(gè)部分，瞬時(shí)的彈性變形階段以及隨后的應(yīng)變收縮階段(即回蠕變階段)，瞬時(shí)變形階段的應(yīng)變大致等于復(fù)合材料的彈性變形。Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料回蠕變階段的蠕變速率隨松弛時(shí)間的延長而減小，在主蠕變的不同階段降載后，回蠕變應(yīng)變隨著主蠕變時(shí)間的推移增大，同時(shí)增大的幅度越來越小?；厝渥兒笤偌虞d，

9、再蠕變過程中的最小蠕變速率不受加載前回蠕變的影響。 應(yīng)用基體合金局部區(qū)域的蠕變本構(gòu)方程和應(yīng)力松弛方程，定性地解釋了Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料的回蠕變行為，以及回蠕變速率隨松弛時(shí)間減小的現(xiàn)象。基于基體合金蠕變引起的纖維與基體的應(yīng)力松弛規(guī)律，建立了短纖維復(fù)合材料的回蠕變本構(gòu)方程應(yīng)用此方程成功地模擬了Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料的回蠕變行為。 本文建立了能用于預(yù)測Al2O3/ZL109短纖維復(fù)合材料蠕變行為的

10、有限元分析理想單元模型，通過有限元分析獲得Al2O3/ZL109短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高溫恒載荷和變載荷條件下蠕變過程的應(yīng)力場分布和應(yīng)變變化情況，對(duì)Al2O3/ZL109復(fù)合材料最小蠕變速率的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。有限元分析表明，Al2O3/ZL109復(fù)合材料的蠕變變形主要受到纖維的蠕變抗力和纖維/基體界面間應(yīng)力傳遞的控制。增大纖維的長徑比有利于應(yīng)力在兩相間傳遞，從而提高短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的蠕變強(qiáng)度。 本文還探討了不同增強(qiáng)體對(duì)復(fù)

11、合材料蠕變性能的影響機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)體的形狀與尺寸決定復(fù)合材料的蠕變性能。體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，增強(qiáng)體尺寸越小，復(fù)合材料的蠕變強(qiáng)度越高。研究表明，原位合成超細(xì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有比常規(guī)復(fù)合材料更好的高溫蠕變性能。增強(qiáng)體的形狀則決定了復(fù)合材料的變載荷蠕變行為。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)生回蠕變的原因是短纖維的彈性恢復(fù)作用；顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料由于門檻應(yīng)力的存在以及缺少短纖維的彈性恢復(fù)作用，在低的松弛應(yīng)力下沒有發(fā)生蠕變變形。未增強(qiáng)的合金材料發(fā)生滯彈性變形