B4C/6061Al复合材料疲劳损伤及断裂行为研究

摘要

铝基复合材料由于其轻质高强，具有优秀的比刚度，耐磨性能以及疲劳性能，因而在交通、航空领域作为承受动载的构件有广泛的应用前景。而颗粒增强铝基复合材料由于其更好的各向同性性能以及相对低廉的生产成本，在工程应用上具有广泛的前景。
　　针对复合材料在工程应用中面对的力学性能以及功能性要求，本研究采用了碳化硼颗粒作为铝基复合材料的增强相颗粒。碳化硼颗粒具有相对于碳化硅、氧化铝等陶瓷材料更高的强度、热稳定性，并能与铝基体更好的润湿，产生良好的界面结合，从而得到更好的整体性能。同时碳化硼由于其较低的密度，且10B可为复合材料提供良好的中子屏蔽、吸收性能，复合材料也因此符合轻量化，功能化的设计要求。
　　碳化硼颗粒增强复合材料的强度与增强颗粒的含量密切相关，理论上复合材料的强度随颗粒含量的上升而增加，但过高的颗粒含量会引入大量界面与缺陷，同时增大生产加工难度。本文采用粉末冶金法制备了质量分数为30％的碳化硼增强铝基复合材料，并将其加工为成型良好的3mm厚板材。同时对复合材料的拉伸性能与疲劳性能进行了实验，以表征其静态、动态力学行为并分析其失效机制。
　　研究表明碳化硼增强铝基复合材料的拉伸强度达到了267.25 MPa，相对于作为对比的工业6061铝合金稍有下降，但是刚度有明显提升，达到了110 GPa。
　　铝基碳化硼增强复合材料相对于6061Al高周疲劳性能有明显提升，其疲劳极限达到了165.7 Mpa，相比6061Al合金有显著提高。但是当复合材料所承受疲劳载荷逐渐接近并超过复合材料屈服强度时，疲劳寿命出现急剧下降。
　　为了探究 B4C/6061Al复合材料的疲劳损伤机制并通过实时的声发射信号对其微观组织在疲劳过程中的演化进行探究，本研究对复合材料在高应力疲劳范围内的应力应变行为进行了分析。根据复合材料的疲劳应变累积速率，可将其疲劳寿命分为三个阶段。本研究对其疲劳应变，塑性变形耗散能以及疲劳应力峰值之间的关系进行探讨，经过整理数据以及线性拟合发现，上述参数之间存在一定线性关系。
　　对于复合材料疲劳过程的损伤及断裂过程，使用了声发射方法进行分析，并通过建立声发射-应变耦合分析的方法，使用声发射实时表征复合材料的疲劳损伤过程。经过分析可以发现，复合材料在裂纹萌生之前会出现声发射信号的急剧增长，且增长的声发射信号均为中低振幅信号，显示了复合材料颗粒/基体脱粘是复合材料断裂的基本形式。
　　同时可以看到声发射的信号的振幅与复合材料的动态弹性模量呈相关性，结合复合材料在疲劳损伤过程中的刚度衰减原则，声发射信号从另一方面给出了颗粒增强复合材料的疲劳损伤机制的解释。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 B4C/6061Al复合材料

1.3 B4C/6061Al复合材料疲劳研究现状

1.4 本文的研究内容及技术路线

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料及制备工艺

2.2 实验方法及设备

第三章 B4C/6061Al复合材料显微组织与拉伸性能

3.1引言

3.1 B4C/6061Al复合材料显微组织分析

3.2 B4C颗粒对铝基碳化硼复合材料拉伸性能影响

3.3 本章小结

第四章 B4C/6061Al复合材料的疲劳性能研究

4.1 引言

4.2 B4C/6061Al复合材料的高周疲劳实验

4.3 B4C/6061Al复合材料疲劳过程中的应力-应变表征

4.4 B4C/6061Al复合材料疲劳断裂行为

4.5 本章小结

第五章 B4C/6061Al复合材料的疲劳损伤分析

5.1 引言

5.2 B4C/6061Al复合材料在循环载荷作用下的损伤机制

5.3 B4C/6061Al复合材料疲劳过程中的能量转换

5.4 本章小结

第六章 声发射方法分析B4C/6061Al复合材料疲劳损伤

6.1 引言

6.2 声发射计数表征B4C/6061Al复合材料疲劳行为

6.3 声发射振幅表征B4C/6061Al复合材料疲劳损伤

6.4 声发射能量表征B4C/6061Al复合材料疲劳损伤

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参与科研情况