（材料学专业论文）SiCltWgtAl复合材料的压缩变形及Allt2gtOlt3gtltfgtAl复合材料的疲劳响应.pdf

上海交通大学博士后研究报告 摘要 非连续和连续增强金属基复合材料以其各自的显著特点受到了广泛的关注。 非连续增强金属基复合材料的显著特点之一是，可以用传统的二次加工工艺进行 塑性成形；连续增强金属基复合材料的主要特点是极高的纵向性能。围绕这些特 点，本文通过性能测试以及组织结构分析，研究了非连续增强s i c w ! l d 2 复合材 料的压缩变形行为以及连续增强( a 1 ：o ，) f a 1 复合材料的疲劳行为。 对s i c 。l d 2 复合材料压缩变形的研究表明，压缩变形过程中晶须的转动和 折断以及基体金属的加工硬化决定了复合材料的应力- 应变行为，晶须的转动和 折断是产生应变软化现象的原因。晶须的排列方式影响复合材料压缩变形时基体 金属的流动。晶须垂直排列的复合材料压缩变形过程中基体金属的流动是均匀 的；晶须呈水平排列的复合材料压缩变形期间基体金属流动的均匀性取决于变形 温度，3 8 0 。c 压缩变形时，基体金属流动不均匀：5 8 0 。c 压缩变形时，基体金属能 够均匀流动；提高变形温度可改善复合材料变形时基体金属流动的均匀性。 对( a 1 ，o ，) f a 1 复合材料的拉伸和疲劳性能研究表明，复合材料的纵向拉伸强 度和弹性模量分别为1 5 2 0 0 4 g p a 和2 0 5 2 2 _ _ _ 1 0 0 6 g p a 。拉伸强度达到了复合材 料的纤维束强度，弹性模量符合混合法则的预测。疲劳极限为( 7 5 0 2 5 ) m p a ，高 于s c s 6 t i 合金复合材料。 断口分析表明，( a 1 ，o ，) t a l 复合材料的界面属于强界面结合，拉伸断口为梯 田状，有许多台阶组成，没有纤维拔出和纤维基体界面脱粘。疲劳断口形貌依赖 于应力水平。高应力下，疲劳断口也呈梯田状，但有很多带有基体铝的纤维和纤 维束拔出，这是不同于拉伸断口的；低应力下，疲劳断裂形貌由表面劈裂和梯田 状断面组成。 对( a 1 ，o ，) e a 1 复合材料疲劳损伤模式的研究发现，在高应力条件下，复合材 料的疲劳损伤模式与s c s 6 纤维增强钛基复合材料相同，即疲劳寿命由单个裂纹 的横向扩展所控制；在低应力条件下，疲劳裂纹在纯铝基体内纵向扩展，复合材 料表现出特有的疲劳损伤模式，包括纤维劈裂和多重裂纹的扩展。计算结果表明， 纤维劈裂是决定复合材料疲劳寿命的主控因素，也是强界面结合( a 1 ：o ，) t a l 复合 材料在低应力下具有高疲劳极限的原因。说明对于强界面结合的纤维增强复合材 料，只要采用低强度的基体，使疲劳裂纹在基体内纵向扩展，复合材料就能达到 高的疲劳极限，从而达到高疲劳抗力强界面复合材料设计的目的。表面n i p 镀 层可提高复合材料丝的疲劳抗力。真空压力浸渗法制备的( a l ：0 3 ) e a 1 复合材料增 强铝合金块体材料的强度达到了其中的纤维束强度。卜 关键词：铝基复合材料，碳化硅晶须，氧化铝纤维，压缩变形，疲劳 上海交通大学博士后研究报告 a b s t r a c t d i s c o n t i n u o u s l ya n dc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e sh a v ew i d e l y b e e ni n v e s t i g a t e dw i t ht h e i ro w no u t s t a n d i n g f e a t u r e s o n eo ft h ef e a t u r e so f d i s c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e si st h a tt h e yc a nb ef o r m i n gu s i n g c o n v e n t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s o n em a i nf e a t u r eo fc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e d m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e si st h e i re x c e l l e n tl o n g i t u d i n a ls t r e n g t h t a k i n gt h ef e a t u r e sa s as t a r t i n gp o i n tf o rt h i st h e s i s ，c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o no fs i c w l d 2c o m p o s i t ea n d f a t i g u eo f ( a 1 2 0 3 ) a ic o m p o s i t ew e r ei n v e s t i g a t e db yb o t he x a m i n i n g t h e i rp r o p e r t i e s a n d a n a l y z i n g t h e i rm i c r o s t r u c t u r e s a sf o rt h ec o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o no f s i c w l d 2c o m p o s i t e ，i tw a sf o u n d t h a tt h e s t r e s s s t r a i nb e h a v i o ro ft h ec o m p o s i t ew a sd i c t a t e db yt h er o t a t i o na n db r e a k a g eo f t h e w h i s k e r sa n dt h ew o r kh a r d e n i n go ft h em a t r i xm e t a ld u r i n gt h e c o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o n t h er o t a t i o na n d b r e a k a g eo f t h ew h i s k e r sw e r et h er e a s o nr e s u l t i n gi nt h e s t r a i ns o f t e n i n go ft h ec o m p o s i t e t h eo r i e n t a t i o no ft h ew h i s k e r si n f l u e n c e dt h em a t r i x m e t a lf l o wd u r i n gt h ec o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n d u r i n gt h ec o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n ， t h em a t r i xm e t a lf l o ww a su n i f o r mi np e r p e n d i c u l a r l ya l i g n e ds i c w l d 2c o m p o s i t e ， a n dw a sd e p e n d e n to nt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei nh o r i z o n t a l l ya l i g n e ds i c w l d 2 c o m p o s i t e f o rh o r i z o n t a l l ya l i g n e ds i c w l d 2c o m p o s i t e ，t h em e t a lf l o w i su n u n i f o r m a t3 8 0 ca n dw a su n i f o r ma t 5 8 0 t h e r e f o r e h i g hd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei s b e n e f i c i a lf o ru n i f o r mf l o wo fm a t r i xm e t a ld u r i n gc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o no f s i c w a 1c o m p o s i t e s a sf o rt h et e n s i l ea n d f a t i g u ep r o p e r t i e so f ( a 1 2 0 3 ) a 1c o m p o s i t e ，i tw a sf o u n d t h a t t h el o n g i t u d i n a lt e n s i l es t r e n g t ha n dt h ee l a s t i cm o d u l u so ft h ec o m p o s i t ew e r e1 5 2 o 0 4 g p aa n d 2 0 5 2 2 + 1 0 0 6 g p a ，r e s p e c t i v e l y t h es t r e n g t ho f t h e ( a 1 2 0 3 ) e a lc o m p o s i t e r e a c h e di t sf i b e rb u n d l es t r e n g t ha n dt h em o d u l u sw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ep r e d i c t i o n f r o mt h er u l eo fm i x t u r e s t h ef a t i g u ee n d u r a n c el i m i to ft h ec o m p o s i t ew a sa b o u t 7 5 0 m p a ，w h i c hw a sm u c hh i g h e rt h a na b o u t6 0 0 m p ao ft h es c sf i b e rr e i n f o r c e dt i m a t r i xc o m p o s i t e s a n a l y z i n gt h ef r a c t u r es u r f a c e so ft h e ( a 1 2 0 3 ) e a 1c o m p o s i t ei n d i c a t e dt h a tt h e i n t e r f a c eb o n d i n gb e t w e e nt h ea l u m i n af i b e r sa n dt h ea im a t r i xw a ss t r o n gf o rt h e t e n s i l el o a d i n g ，t h ef r a c t u r es u r f a c e sw e r es i m i l a rt oat e r r a c e ，t h e r ew e r em a n ys t e p s a n dn of i b e rp u l l o u ta n di n t e r f a c i a ld e b o n d i n go nt h ef r a c t u r es u r f a c e s f o rt h ef a t i g u e 上海交通大学博士后研究报告 l o a d i n g ，h o w e v e r ，t h em o r p h o l o g yo ff r a c t u r es u r f a c e s w a sf o u n dt ov a r yw i t ht h e a p p l i e df a t i g u e l o a da th i g ha p p l i e ds t r e s s e s ，f a t i g u ef r a c t u r es u r f a c e s a l s ow e r e s i m i l a rt oat e r r a c e ，t h e r ew e r em a n yp u l l o u t o ff i b e r so rf i b e rb u n d l e sw i t h s u r r o u n d i n ga l u m i n u mm a t r i xo nt h ef a t i g u e f r a c t u r es u r f a c e s t h i si sd i f f e r e n tf r o m t h et e n s i l ef r a c t u r es u r f a c e s a tl o wa p p l i e ds t r e s s e s ，t h ef a t i g u ef r a c t u r em o r p h o l o g y c o n s i s t e do fs u r f a c es p l i t t i n ga n dt e r r a c e - l i k ef r a c t u r es u r f a c e s i n v e s t i g a t i n gt h ef a t i g u ed a m a g e m o d eo ft h e ( a 1 2 0 3 ) a lc o m p o s i t e ，i tw a sf o u n d t h a t ，a th i g hs t r e s s e s ，t h ef a t i g u ed a m a g em o d eo f t h e ( a 1 2 0 3 ) e a lc o m p o s i t ew a s s i m i l a r t ot h a to ft h es c sf i b e rr e i n f o r c e dt im a t r i xc o m p o s i t e st h a ti s ，t h ef a t i g u el i f ew a s c o n t r o l l e db yt h et r a n s v e r s ep r o p a g a t i o no fas i n g l ec r a c k a tl o ws t r e s s e s ，h o w e v e r ， t h ef a t i g u ec r a c k sp r o p a g a t e di nt h ep u r ea 1m a t r i x ，a n dt h e ( a 1 2 0 3 ) a tc o m p o s i t e s h o w e dac h a r a c t e r i s t i cd a m a g em o d e ，w h i c hi n c l u d e df i b e rs p l i c i n ga n dp r o p a g a t i o n o fn u m e r o u st r a n s v e r s em a t r i xc r a c k s c o m p a r i n gt h ef a t i g u el i v e sa td i f f e r e n ts t r e s s e s i n d i c a t e dt h a tt h ef i b e rs p l i t t i n gw a st h em a i nf a c t o rt oc o n t r o lt h ef a t i g u el i f eo ft h e c o m p o s i t e ，a n da l s ow a s t h er e a s o nf o rt h e ( a 1 2 0 3 ) e a 1c o m p o s i t et oh a v eh i g h e rf a t i g u e e n d u r a n c el i m i ta tl o ws t r e s s e s t h i si n d i c a t e dt h a ti fm a t r i xw i t hl o ws t r e n g t hi s a d o p t e ds o t h a t f a t i g u ec r a c k sp r o p a g a t ea l o n gf i b e rd i r e c t i o n i nt h em a t r i x ，f i b e r r e i n f o r c e dc o m p o s i t e sw i t hs t r o n gi n t e r f a c eb o n d i n gc a nh a v eh i g hf a t i g u es t r e n g t h t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fs t r o n gi n t e r f a c ec o m p o s i t e sw i t hh i i g hf a t i g u ee n d u r a n c e c a nb e r e a l i z e db yu s i n gl o ws t r e n g t hm a t r i x n i - pc o a t i n gt h es u r f a c eo ft h ec o m p o s i t ew i r e c a l l i m p r o v et h ef a t i g u e r e s i s t a n c eo ft h ew i r e t h es t r e n g t ho ft h eb u l km a t e r i a l s ， r e i n f o r c e db yt h ec o m p o s i t ew i r e sa n df a b r i c a t e du s i n gt h ev a c u u r np r e s s u r ei n f i l t r a t i o n ， r e a c h e df i b e rb u n d l es t r e n g t h k e y w o r d s ：a l u m i n u m m a t r i x c o m p o s i t e s ，s i cw h i s k e r ，a 1 2 0 3f i b e r , c o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o n ，f a t i g u e 上海交通大学博士后研究报告 1 1 引言 第1 章绪论 金属基复合材料( m m c s ) 由于具有高的比强度、比刚度以及性能可设计等一系 列优异性能而受到极大的重视。随着航天航空工业、汽车工业、体育产业的发展 必将极大地推动金属基复合材料的研究和应用，使金属基复合材料愈来愈显示出 强大的生命力”6 】。 金属基复合材料可分为非连续和连续增强两类。非连续增强金属基复合材料 主要包括颗粒增强、晶须增强和短纤维增强等复合材料，其特点是具有较高的比 强度和比刚度高，优良的抗疲劳性能、减震性能、耐磨性能和二次加工性能等f 2 - 8 1 ， 其缺点是制备和加工成本相对较高。连续增强金属基复合材料主要是纤维增强复 合材料，其主要特点是具有极高的单向强度和刚度，这是非连续增强复合材料无 法比拟的。其缺点是制备和加工成本非常高】。 与连续增强金属基复合材料相比，非连续增强金属基复合材料最大的优点是 可以利用传统的加工工艺进行二次成形加工。因此，塑性变形行为对非连续m m c s 而言具有重要的地位。s i c w a 1 复合材料是一种非连续增强金属基复合材料，其 压缩变形行为已引起较大关注 1 0 - 2 8 1 ，研究主要集中于s i c w a 1 复合材料压缩变形 中的应力应变响应以及晶须的行为，包括晶须的转动和折断。这些研究主要是 针对铸态材料，其中晶须是混乱分布的。但对晶须定向排列对压缩变形的影响没 有详细讨论，尤其是对晶须定向排列对压缩变形过程中金属流动的影响尚未见报 道，而晶须定向排列对金属流动的影响对复合材料塑性成形时成形的均匀性具有 重要的作用。本文首先将对晶须呈定向排列的s i c w a i 复合材料的压缩变形行为 进行讨论。 与非连续纤维增强铝基复合材料相比，连续纤维增强金属基复合材料无疑具 有更强大的性能优势。近期取得显著进展的连续氧化铝纤维增强铝基复合材料 ( ( a 1 ：o ，) a 1 ) 已经在在航空航天和电力传输领域展示了广泛的应用前景 2 9 , 3 0 j 。航 空航天领域大量地使用铝合金。由于比重低，铝合金在航空航天领域具有举足轻 重的作用。随航空航天事业的发展，铝合金已不能满足日益增长的性能要求，越 来越多的注意力转向了铝基复合材料。氧化铝纤维增强铝基复合材料既可以直接 用于结构件使用，也可以作为增强材料局部增强铝合金，从而可扩大铝合金的应 用范围。 在电力传输领域，由于比重低，导电性好，铝合金被广泛地应用于电力传输 方面。其中重要应用之一是远距离电力传输。作为远距离电力传输导线，必须采 上海交通大学博士后研究报告 用增强芯材来避免导线下垂。以往采用钢作为增强材料，但由于钢的比重大，导 电性差，并非理想的增强材料。最近s i c 纤维增强铝基复合材料替代钢芯正在被 研究和试验，呈现出良好的前景。但由于s i c 纤维与铝之间存在化学反应，因 此制备和使用s i c 纤维增强铝导线过程中控制界面反应以避免s i c 纤维的强度下 降就成为关键，这也是制备困难及使用不稳定的因素。由于a i ：o 。纤维与a l 间良 好的化学相容性，消除了界面反应问题，因此减少了制备困难并具有使用稳定的 特点。较之钢材和s i c 纤维相比，a i ：o ，纤维作为增强材料在远距离电力传输领 域无疑更具有广阔的应用前景。 ( a 1 ：o ，) a l 复合材料作为航空和电力传输中的结构材料，经常受到静载荷和波 动载荷的作用，为了安全和有效地使用材料，有必要对连续氧化铝纤维增强铝基 复合材料的拉伸和疲劳性能进行研究。对于5 5u ( a 1 ：o ，) a i 复合材料的研究结果 表明”1 “1 ，复合材料的疲劳极限高于7 0 0 m p a ，远高于t i 基复合材料的疲劳极限。 然而，高疲劳极限的疲劳损伤机理尚不清楚。本文第二部分将对( a i ：o ，) a 1 复合 材料的疲劳响应和疲劳损伤机理进行讨论。 1 2 s i c w ，a i 复合材料的压缩变形 s i c w a 1 复合材料的压缩变形的研究重点是高温压缩变形，其原因有二，一 是该类复合材料具有较好的高温性能，有必要探索材料在高温条件下服役时的变 形及断裂规律；二是复合材料通常需要进行热加工成型，故对其高温变形规律的 探索进而对热加工工艺参数的理解均是有所裨益的”“。 l e d e r i c h 等”研究s i c 晶须增强铝复合材料的高温压缩变形时指出，s i c 。的 加入增加了压缩屈服强度、杨氏模量和高温强度。复合材料的压缩变形行为可以 由基体流变应力、沉淀强化和弥散强化贡献的叠加来描述。 s t a n f o r d b c a l e 等”为了研究纤维( 包括晶须) 增强铝基复合材料的热挤压， 对纤维增强铝基复合材料的高温压缩变形进行了研究。其典型的s i c w a 1 复合材 料高温压缩变形的应力应变曲线示于图1 1 。可见s i c w a i 复合材料高温压缩变 形存在明显的应变软化现象，而且压缩过程中柱状试样与环状试样的应变软化程 度是不尽相同的，柱状试样的应变软化程度小于环状试样。这种差别被归因于环、 柱试样压缩时的不同的应变场。实心圆柱压缩期间径向和环向应变是相等的，所 以没有平面的任意的纤维取向分布的有序化。而对于环状试样试验，由于径向和 环向应变不相等，导致纤维取向分布的有序化排列。这种有序化排列促进了进一 步的基体金属流变，应变软化程度较大。 2 上海交通大学博士后研究报告 费维栋、x i o n g 等在研究s i c w a l 复合材料高温压缩变形时也观察到了这 种现象。研究表明。”，s i c w a ! 复合材料高温压缩变形过程中的应变软化行为 与晶须的转动和折断有关。晶须的转动和折断导致晶须承受的载荷的下降，减弱 了复合材料的强化效果，因此随着压缩变形的进行流变应力逐渐降低呈现应变软 化现象。 t r u ec o m p r e s s i v es t r a i n t r u e c o m p r e s s i v e s t r a i n a ) 环压缩试验b ) 实心柱压缩实验 图1 1 典型的复合材料压缩变形的应力一应变曲线 x i o n g 等”1 指出，s i c w a i 复合材料的压缩强度盯。可由下式表示： 一三 仃。= 盯m ( ，d ) v ，c o s g 九+ 仃m ( 1 - 1 ) l f f i l 其中，d 是晶须平均长径比，口，是晶须与压缩方向间夹角，一是晶须总数， 盯。是基体流动应力，v ，是晶须体积分数。 当垂直于晶须排列方向压缩时，口。= 9 0 0 ( f _ 1 ，2 n ) ，此时盯。= 盯。，即复 合材料的应力完全由基体合金所决定：当平行于晶须排列方向压缩或对于铸态复 合材料压缩时，o 口。 9 0 0 ，盯。则高于盯。 费维栋【1o 】在研究s i c w a 1 n i 复合材料高温压缩变形时，通过对晶须取向分布 的测量指出，压缩过程中晶须长轴的取向分布函数可以用下式给出： ，( 印= a e x p ( - b 0 + c s i n 口( 1 - 2 ) 其中a 、b 均为应变量的线性函数。并进一步推导出s i c w a 1 - n i 复合材料 高温压缩流变应力可以用下式近似表示： 吒= v ，( 1 i d ) o - 。e 。肛2 觚s 矿( d 刨+ 盯。( 1 - 3 ) 从而使s i c w a i 复合材料高温压缩变形过程中晶须取向分布与应力应变曲线关系 的研究趋于定量化。 上海交通大学博士后研究报告 s i c w a i 复合材料压缩过程中晶须发生了转动和折断”1 ，虽然对晶须的转 动已进行了一些定量研究”“。，但对于晶须转动机制的认识仍然停留在表观上“。 3 3 】。曹利“”研究s i c w a i 复合材料拉伸变形过程中的晶须转动时认为，当复合材 料变形时，晶须承受一定的力矩，在该力矩的作用下晶须将发生转动，并通过力 学计算给出了晶须转动的表达式为： 占= c r s i n ( 2 9 ) 4 g ( 弹性阶段) ( 1 4 ) s = o 7 5 6 s i n ( 2 a ) ( 塑性阶段) ( 1 5 ) 其中占是晶须转动的角度；o - 是复合材料所受的拉伸应力；口是晶须长轴与 拉伸方向的夹角；万是复合材料的拉伸应变。 关于非连续增强金属基复合材料变形时增强体断裂进行了些研究，包括组 织观察和有限元数值模拟等方面”j 。普遍接受的观点是应力集中导致增强体的 折断p 7 os t a n f o r d b e a l e ”认为纤维折断是由于偏应力引起的，这与应力集中的观 点是一致的。从两相合金变形的研究中可知，变形中第二相粒子的转动是为了松 弛应力，如果这种应力松弛速度满足不了粒子转动速度的要求，则势必造成粒子 的断裂一“。对于晶须的情况，晶须折断直到它的长度达到塑性松弛可以维持应 力于相对低的水平”“。 上述的见解是对低于基体固相线温度变形研究的结果，在高于固相线温度变 形时，复合材料压缩变形行为将会发生根本的变化。g e n g 【1 ”和胡俊青”对 s i c w 6 0 6 1 a 1 复合材料液固两相区的热压缩变形进彳亍了研究。研究表明，在 5 0 0 6 4 0 的范围内，随着压缩温度的升高s i c w 6 0 6 1 a i 复合材料的变形行为逐 渐与6 0 6 1 铝合金的相似。而且应变速率叠在0 1 2 0 5 6 s 。范围内，随宣的增大应 力应变曲线逐渐向上平移：当占达到1 0 0 s 4 时出现了尖锐的应力峰，表现出了复 合材料特有的应力特征。其典型的结果如图1 2 。 液固两相区压缩时s i c # 6 0 6 1 a 1 复合材料中晶须发生了转动和折断，与固相 区压缩相比晶须折断程度明显减弱。这对于充分发挥晶须的承载能力非常有利。 液圃两相区压缩晶须折断程度减弱是由于液相存在改变了基体的塑性变形方式的 直接结果。g e n g 删通过计算分析认为，液固两相区压缩晶须折断是晶须间相互 作用的结果，而不是基体的影响。对压缩后试样拉伸强度测试表明，压缩温度在 5 4 0 6 2 0 范围内，抗拉强度呈上升趋势：6 4 0 c 时抗拉强度明显降低，而延伸率 在5 4 0 6 4 0 范围内呈上升趋势。s i c w 6 0 6 1 a 1 复合材料在液- 固两相区温度进行 压缩变形时，压缩应变可达5 7 1 7 9 3 ，试样内部没有发现裂纹和孔洞。在液固 两相区压缩，随着压缩变形量的增加，抗拉强度逐渐降低，延伸率逐渐提高。获 得较好的组织和性能的工艺参数是：压缩温度6 0 0 6 2 0 ，压缩变形速率 0 3 7 0 5 6 s ，压缩变形量可达7 5 7 。由于在固相线温度以上晶须的强化效果更 低，因此高于固相线温度有利于s i c w a l 复合材料的塑性成形”。 d 上海交通大学博士后研究报告 s t r a i n ( ) a 1 s t r a i n ( ) b )c ) a ) 占印1 2 s 1b ) 占= o5 6 s 1c ) 占= l0 0 s 1 图1 2s i c w 6 0 6 1 a 1 复合材料和未增强的6 0 6 1 a 1 不同温度下典型的应力应变曲线 由以上论述可知，关于s i c w a 1 复合材料压缩变形行为虽然已有一些研究，但 仍然是不够全面和深入，有待于进一步的研究。 1 3 连续纤维增强金属基复合材料的疲劳 连续纤维增强金属基复合材料各方面力学行为中，疲劳是受最大关注的行为 富暑一傍ojl 上海交通大学博士后研究报告 之一。对连续纤维增强金属基复合材料( m m c s ) 疲劳的研究始于6 0 年代中期。早 期的疲劳研究大多集中于以钢、钨、铍、钼丝为增强体，以铝、铜或银合金为基 体的单纤维复合材料1 3 8 】。在7 0 年代早期，对金属基复合材料的疲劳研究主要针 对硼纤维增强铝合金复合材料，如当时最先进的金属基复合材料b 6 0 6 1 。a 1 ”1 。 在8 0 年代，对金属基复合材料的疲劳研究大大增加，包括以钛合金、镁合金、 镍合金和铝合金为基体，多种纤维如w 、涂层b 、a l ：o ，、s i c 、s c s 6 等增强的 3 们 金属基复合材料。近年来，疲劳研究的焦点主要集中在连续纤维增强t i 基复 合材料上，包括疲劳寿命和疲劳裂纹扩展的研究。最近，由于氧化铝纤维刚度的 提高以及制备工艺的改进，氧化铝纤维增强铝基复合材料的疲劳性能得到了很大 提高，从而该类复合材料的高疲劳损伤机理引起了人们的关注。 1 3 1 疲劳寿命和损伤模式 连续纤维增强金属基复合材料沿纤维方向的疲劳性能表现为典型的s n 曲线 类型。曲线遵循能量率关系：叮= 盯，n ，一，其中仃f 是特征疲劳强度( 相当 于抗拉强度) ，b 是疲劳指数，对钛基复合材料约为o 0 7 ，在非常高强金属中约 为0 0 5 到0 1 之间。在高应力水平下，疲劳寿命短，疲劳破坏方式为脆性断裂， 基体中无裂纹，疲劳寿命由单个裂纹的扩展所控制。而在低应力水平下，基体中 出现大量裂纹，裂纹穿过复合材料稳定扩展。裂纹通常在界面反应层f 如t i c ) 内 萌生，裂纹穿过基体扩展，造成纤维破坏。裂纹扩展至试样中心时，会与试样另 一侧的接近同平面的裂纹相连接，或与另一侧的非同平面的裂纹相互受阻”。 t m c s 的疲劳性能与加载环境和加载方式( 即载荷控制或应变控制条件) 密切相 关。加载频率、环境气氛和温度对连续纤维增强金属基复合材料的疲劳寿命和疲 劳破坏模式有重要的影响。在恒温疲劳条件下受拉一拉载荷的试样，其疲劳性能 主要由基体的蠕变性能决定，在断裂的试样中没有发现基体裂纹。k r a b b e l l 4 0 等研 究表明，在恒温载荷控制疲劳条件下，当应力水平降低时，基体的破坏对疲劳寿 命和疲劳机制的影响变大。l e r c h 和h a l f o r d t 4 1 1 的研究显示，在拉一压载荷条件下， s c s 6 t i 1 5 3 复合材料的疲劳寿命和破坏方式与载荷的控制方式无关。 对于有限或无纤维桥接的裂纹扩展，一般而言，温度的增加和加载频率的降 低将使疲劳裂纹扩展的速率增加。但当大量的桥接裂纹出现时，上述结论就不一 定正确。高温条件下，环境气氛对桥接裂纹的扩展有阻碍作用。s h i n o j o 和b o w e n t 4 2 1 研究了 0 9 0 。】：。层板s c s 6 t i - 6 a 1 4 v 复合材料在疲劳载荷控制下，温度、加载频 上海交通大学博士后研究报告 率和环境气氛与疲劳裂纹扩展的关系。他们发现在4 5 0 c 时，在恒定的应力场强 度因子k 下，裂纹扩展速率几乎保持不变。而在室温条件下，在相同的k 下， 裂纹扩展受阻。在4 5 0 c 时，在空气中的疲劳裂纹扩展速率远大于在4 5 0 c 下真 空中的裂纹扩展速率。 研究还发现，当加载频率小于1 h z 时，加载频率对疲劳裂纹扩展速率几乎没 有影响。z h a n g 等【4 3 研究了疲劳裂纹扩展与加载频率的关系。在5 0 0 c 条件下， 对s m l 2 4 0 t i m e t a l 2 1 s 复合材料迸行了一系列的疲劳试验。在空气中随加载频率 从l o h z 降低至0 1 h z 时，疲劳裂纹扩展速率增加。然而，当加载频率从0 1 h z 降至更低时，疲劳裂纹扩展速率反而降低。但发现当加载频率为0 1 h z 时，在真 空条件下，疲劳裂纹扩展的速率最小。研究表明，在6 4 9 下，当载荷频率在 o 3 3 h z 至3 0 h z 之间变化时，对于s c s 6 t i 2 4 a 1 1 1 n b 复合材料的疲劳性能几乎 没有影响。 疲劳载荷的应力比和应变比r 同样对连续纤维增强金属基复合材料的疲劳寿 命和破坏模式有重要的影响。应力比r 对连续纤维增强t i 基复合材料的疲劳寿 命影响较大。s a n d e r s 等m 1 研究了应力比r 对s c s 6 t i 1 5 a 1 3 v 复合材料疲劳性 能的影响。研究发现，随应变比的增加，复合材料的疲劳寿命增加。在应力控制 的载荷下，也发现有同样的规律。 缺口同样对纤维增强复合材料的疲劳寿命和损伤模式有重要影响。对于存在 孔洞和尖锐缺口的复合材料试样，疲劳破坏通常由从高应力集中区萌生的一至两 个主裂纹扩展引起。在很少的循环次数后，裂纹就萌生并扩展，疲劳寿命主要取 决于裂纹的扩展速率。p 印a k 蜘a c o u m l 研究了缺口尺寸对g l a b e 1 ( f i b e r - m e t a l l a m i n a t e ) 疲劳裂纹扩展的影响，认为缺口的半径不仅对裂纹的萌生和初期的裂纹 扩展有影响，而且对长裂纹的扩展也有影响。g l a b e 1 缺口根部的半径越小， 疲劳裂纹扩展速率越高。缺口根部的半径越大，在缺口尖端区的应力集中就越小， 在相同的名义应力强度值下，有效应力强度因子较小。这样，在大半径缺口尖端 区内断裂的纤维较少，纤维对裂纹扩展的桥接作用较大。 1 3 2 纤维增强金属基复合材料疲劳裂纹扩展的微观机制 增强纤维、基体和界面的性能直接影响到连续纤维增强复合材料的疲劳裂纹 扩展。纤维、基体和界面的性能影响疲劳裂纹扩展的微观机制。纤维、基体和界 7 上海交通大学博士后研究报告 面的性能必须经相互配合协调才能使复合材料具有最佳的抗疲劳性能。h a n c o c k e 7 】 总结了早期对连续纤维增强m m c s 的疲劳研究工作，认为抗疲劳的连续纤维增 强复合材料应满足以下条件：1 ) 高强度、高模量的纤维；2 ) 低强度、低模量的 基体；3 ) 具有不规则形貌的低强度纤维基体界面，即纤维基体界面的结合为弱 界面结合：同时指出，在连续纤维增强金属基复合材料中疲劳裂纹扩展失效方式 可分为三类( 图l - 3 ) ：1 ) 纤维和基体的断裂( 图1 3 a ) ；2 ) 纤维基体界面的脱粘( 图 1 3 b ) ：3 ) 裂纹桥接( 图i - 3 c ) 。 i n t e r f a c e p r o p a g a t i 肛 ( b ) ( c ) 图1 - 3 连续纤维增强金属基复合材料中疲劳裂纹扩展的方式 一般来说，具有强界面和弱纤维的金属基复合材料主要因纤维和基体的断裂 而失效。具有弱界面和强纤维的金属基复合材料易于在纤维基体界面处发生裂纹 分岔。强纤维、弱界面和在纤维基体界面处有残余压应力的复合材料在裂纹扩展 时会发生裂纹桥接。对a 1 2 0 3 纤维增强m g 合金复合材料a l u m i n a ( f p ) z e 4 1 a 的 上海交通大学博士后研究报告 疲劳性能的研究m 1 表明，当载荷方向与纤维方向相同时，由于纤维断裂，在主裂 纹尖端前部形成二次微裂纹，通过主裂纹和二次裂纹的生长使裂纹扩展，疲劳裂 纹扩展的主要方式为主裂纹尖端前纤维断裂，在随后的循环应力中，这些裂纹与 主裂纹相接。由于界面结合强度高，几乎没有发现界面脱粘。而当载荷方向与纤 维方向呈4 5 。时，疲劳裂纹沿界面能扩展较长的距离，这时界面脱粘成为疲劳裂 纹扩展的主要方式。纤维附近基体的应变经确定为0 1 。裂纹的局部应力驱动力 的大小随沿界面的位置不同而定，对于施加值6 5 m p a m ，其大小为 1 8 3 4 m p a m 。t e l m a n t 4 9 x 认为具有高强度纤维的材料可以通过使界面脱粘来获 得很好的断裂韧性，而且不使横向强度降低。h a n c o c k 和s h a w 【州发现对于b 纤 维增强a 1 合金复合材料，可以通过改变纤维和基体界面的结合程度，获得最佳 的裂纹扩展阻力。这样，对循环载荷，可以期望通过优化界面结合强度，使得疲 劳裂纹尖端前部的界面可以脱粘。但考虑到界面结合对横向拉伸强度的影响，界 面结合一般应具有一最佳强度。对b 纤维增强t i 6 a 1 4 v 复合材料的研究”显示， 通过对原始材料的热处理，改善界面结合强度，界面剪切强度从2 0 0 m p a 降低至 8 2 m p a ( 5 0 0 ，7 d a y s ) ，观察疲劳裂纹扩展可知，经热处理后的材料，当主裂纹离开 界面有一定距离时( 8 0 一1 0 0 9 m ) ，界面就开始脱粘，在纤维断裂前，界面裂纹通常 要扩展很长的距离。而对原始材料中疲劳裂纹扩展观察时发现，当裂纹离界面距 离近至2 0 9 m 时，界面还没有脱粘。研究还表明。降低纤维的强度和增加界面强 度对断裂模式有相同的效应，这两种情况下，纤维的断裂都变得较为容易，几乎 没有沿界面的裂纹扩展。而经热处理后的复合材料，发现其具有较高的疲劳裂纹 扩展门槛值和裂纹扩展阻力，因为界面裂纹扩展消耗了更多次的循环，并且使纤 维断裂和裂纹横穿纤维更加困难。 c h a n 和d a v i d s o n 5 2 1 认为，具有良好抗疲劳性能的金属基复合材料的界面性质 应与其基体的性能相适应。如低韧性的脆性基体需要低剪切强度的界面，而高韧 性的基体则需要更强的界面强度。常用的以低韧性陶瓷为基体( k p 5 m p a 肌) 的 复合材料需要界面剪切强度约为1 5 m p a 。对于高韧性的基体( k t 5 0 m p a m ) 的 金属基复合材料，最佳的界面强度约为1 5 0 m p a 。基体韧性与最优界面强度应该 有一近似比例关系。基体韧性与界面强度达到最佳配合时，纤维对裂纹的桥接作 用成为疲劳裂纹扩展的主要阻力。扩展的裂纹使得一部分界面脱粘，这样就降低 了纤维处的应力，延缓了纤维的断裂。如果界面剪切强度太低，则基体开裂并沿 界面裂纹扩展导致疲劳失效，而其横向强度也太差。相反，如果界面剪切强度太 高，裂纹尖端的应力不足以使界面脱粘，没有裂纹桥接发生，这样，复合材料的 疲劳断裂特性与基体材料相似。 图1 - 4 是复合材料不同基体的韧性和界面强度相结合下的疲劳断裂模式( 3 ”。 上海交通大学博士后研究报告 图中分为五个区域： i 基体的韧性适中：界面结合强度很弱；纤维强度较高或高：疲劳断裂 表现为：界面开裂，沿界面的裂纹扩展为主要疲劳破坏方式。纤维拔 出长度约为o 5 5 r a m ；典型的复合材料为：c 6 0 6 1 a i ， a l u m i n a ( f p ) a l 2 5 w t l i ，b 6 0 6 1 - a 1 ，b 4 c b t i 6 a i 一4 v ( 5 0 0 。c ，7 d a y s ) 。 基体的韧性适中或高；界面结合强度较弱；纤维强度高；疲劳断裂表 现为：纤维对裂纹的桥接作用为主要方式。纤