SiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金疲劳性能的研究

摘要

采用喷射沉积法制备15%(体积分数)4.5μmSiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金，研究该组材料的常温力学性能、高周疲劳性能以及疲劳裂纹扩展行为，并对试样进行疲劳断口形貌分析。结果表明：
　　SiC颗粒的加入有利于提高材料的力学性能，起到改善复合材料的微观组织，细化晶粒，抑制Si相的长大的作用。
　　SiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金的高周疲劳寿命随应力幅值的减小而增加，在相同应力幅值下，复合材料的疲劳寿命远远高于基体合金。对基体合金而言，疲劳裂纹从大颗粒Si相的断裂处以及Si相脱离处形核，并开始扩展。对于复合材料而言，SiC颗粒尺寸较小，不容易发生断裂，在形核过程中，当裂纹遇到SiC颗粒时，裂纹或者避开增强体，或者受阻于SiC颗粒，只能在基体合金中扩展，从而扩大了疲劳形核区的面积，提高了材料的疲劳寿命。Si颗粒的脱离，Si相的断裂以及SiC颗粒与基体界面的脱粘是复合材料疲劳断裂失效的主要机制。
　　SiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金的门槛值△Kth分别为4.13和3.95MPa·m1/2，相同的△K水平下，复合材料疲劳裂纹扩展抗力始终高于基体合金，直至材料断裂；当疲劳裂纹遇到Si颗粒与SiC颗粒会发生强烈的交互作用。在门槛值附近时，疲劳裂纹绕过Si颗粒会发生偏转和弯曲是其主要扩展机制，这种偏转会使裂纹面变得粗糙，诱发裂纹闭合，提高基体材料的裂纹扩展抗力提高。随△K的增加，裂纹沿Si颗粒与Al基体界面扩展的倾向性增大，且Si颗粒会发生频繁断裂。SiC颗粒对裂纹偏折以及SiC微裂纹萌生均会使主裂纹扩展路径曲折前进，增加扩展过程中的表面能，提高裂纹扩展抗力，特别是SiC颗粒的自身微裂纹萌生会引发裂纹闭合效应导致复合材料的闭合效应高于基体，有效降低裂纹扩展速率。

目录

文摘

英文文摘

第1章 前 言

1.1 铝基复合材料的发展状况

1.2 颗粒增强铝基复合材料的特点

1.2.1 颗粒增强铝基复合材料的组成

1.2.2 颗粒增强铝基复合材料的制造方法

1.2.3 颗粒增强铝基复合材料的界面

1.3 颗粒增强铝基复合材料的常温性能

1.3.1 颗粒增强铝基复合材料的力学性能

1.3.2 颗粒增强铝基复合材料耐磨性

1.3.3 强化机制

1.3.4 断裂机制

1.4 颗粒增强铝基复合材料的疲劳性能

1.5 颗粒增强铝基复合材料的疲劳裂纹扩展行为

1.6 本文研究的背景、意义与目的

1.6.1 本文的研究背景

1.6.2 本文的研究意义与目的

第2章 实验材料与实验内容

2.1 实验流程

2.2 实验设备

2.2 实验材料

2.2.1 基体合金

2.2.2 复合材料

2.3 实验内容

2.3.1 SiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金沉积坯的制备

2.3.2 SiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金热挤压及热处理工艺

2.3.3 微观组织与力学性能测试

2.3.4 高周疲劳行为实验

2.3.5 疲劳裂纹扩展行为测试

第3章 喷射沉积SiCp/Al-20Si复合材料及其合金的常温力学性能和高周疲劳行为

3.1 喷射沉积SiCp/Al-20Si复合材料及其合金的常温力学性能

3.1.1 拉伸性能

3.1.2 显微组织结构

3.2 喷射沉积SiCp/Al-20Si复合材料及其合金的高周疲劳行为

3.2.1 试验方法及实验参数

3.2.2 疲劳试样的制备

3.2.3 喷射沉积SiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金的高周疲劳寿命曲线

3.2.4 疲劳断口微观组织分析

3.3 本章小结

第4章 喷射沉积SiCp/Al-20Si复合材料及其合金的疲劳裂纹扩展行为

4.1 引言

4.2 试样的制备与测试

4.2.1 材料与试样

4.2.2 疲劳裂纹扩展测试方法

4.3 喷射沉积SiCp/Al-20Si复合材料及其基体合金的da/dN-△K曲线

4.4 疲劳裂纹扩展路径

4.4.1 近门槛区

4.4.2 稳定扩展区

4.4.3 快速扩展区

4.5 分析与讨论

4.6 本章小结

结 论

研究展望

参考文献

致 谢

附录A(攻读学位期间发表的论文目录)