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1、采用噴射沉積法制備的SiCp/Al-Si復(fù)合材料具有密度低、高比強(qiáng)度、高比剛度、低的熱膨脹系數(shù)、高的耐磨性等優(yōu)點(diǎn),使其在車輛制動(dòng)材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中,這些工程構(gòu)件大多都處于循環(huán)載荷下,容易產(chǎn)生疲勞裂紋,引起疲勞破壞。目前由于缺乏噴射沉積SiCp/Al-Si復(fù)合材料疲勞性能的了解以及常規(guī)疲勞裂紋的機(jī)理研究,制約了該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用。因此研究SiC顆粒增強(qiáng)鋁硅復(fù)合材料的疲勞性能對(duì)于構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)具有十分重要的意義
2、。本論文采用噴射沉積技術(shù)制備了SiCp/Al-Si復(fù)合材料錠坯,系統(tǒng)研究了不同粒徑SiC顆粒以及基體Si含量加入后,復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化與疲勞性能的關(guān)系,分析其在疲勞裂紋形核與擴(kuò)展階段對(duì)裂紋擴(kuò)展的遲滯效應(yīng)。主要得到以下結(jié)論:
(1)選擇Al-7Si為基體合金,研究?jī)煞N不同粒徑SiCp(4.5μm,20μm)增強(qiáng)復(fù)合材料的微觀組織及其靜態(tài)力學(xué)行為,表明SiC顆粒的加入使復(fù)合材料的彈性模量高于相同工藝制備的基體合金,但是其
3、抗拉強(qiáng)度以及延伸率較低,擠壓坯中SiC顆粒分布有沿?cái)D壓方向排列的趨勢(shì)。對(duì)比研究4.5μm與20μm SiCp/Al-7Si復(fù)合材料發(fā)現(xiàn),前者由于顆粒間距小,顆粒承載大,表現(xiàn)出較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度,斷裂方式以SiC顆粒與鋁基體界面脫離為主要形式,而后者表現(xiàn)為SiC顆粒自身的斷裂。
選擇粒徑為4.5μm SiCp為增強(qiáng)相,研究了基體合金分別為Al-7Si、Al-13Si、Al-20Si復(fù)合材料的力學(xué)行為,表明隨Si含量的增
4、加,復(fù)合材料的初晶Si以及共晶Si的體積百分?jǐn)?shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度也隨之增加,同時(shí)延伸率隨之降低,脆性增加,初晶Si的斷裂的傾向性提高。
(2)對(duì)比研究20μm和4.5μm SiC顆粒增強(qiáng)Al-7Si復(fù)合材料的低周疲勞性能的研究表明,不同粒徑SiC顆粒增強(qiáng)Al-7Si復(fù)合材料包括基體合金在總應(yīng)變控制下,都表現(xiàn)出相似循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為,即循環(huán)硬化,且隨總應(yīng)變幅值的增大,其循環(huán)硬化程度也相應(yīng)的提高。在高應(yīng)變幅值下,前
5、者要高于后者,而在低應(yīng)變幅值下,后者的疲勞壽命較高。其中小尺寸顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料由于受到高位錯(cuò)密度及低軟化效應(yīng)影響,在低應(yīng)變幅值(0.30%,0.35%,0.40%)下,循環(huán)硬化程度較高,而在高應(yīng)變幅值(0.50%)下,小尺寸顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的軟化效應(yīng)會(huì)加劇,其空洞一旦形核就很容易擴(kuò)展并在SiC顆粒聚集區(qū)連接,其硬化效應(yīng)將會(huì)受到抑制,循環(huán)硬化程度會(huì)降低。
不同Si含量(7%,13%,20%)的4.5μm SiCp/Al-Si
6、的低周疲勞壽命遵循Coffin-Manson關(guān)系式,其疲勞延性系數(shù)ε'f值分別為2.63,1.09和0.85,其疲勞延性指數(shù)c值分別為-0.5284,-0.4506以及-0.5954。在給定塑性應(yīng)變幅值下,Si含量越高,其對(duì)應(yīng)的低周疲勞壽命就越低,循環(huán)硬化程度也隨之降低,分析認(rèn)為Si含量的增加導(dǎo)致Si相的斷裂及其Si相與基體界面處大量空洞的形核所造成的微裂紋數(shù)量隨之增多,且隨循環(huán)次數(shù)的增加,微裂紋之間的連接更加容易,加劇了軟化程度,導(dǎo)致
7、應(yīng)力松弛,抵消部分由位錯(cuò)增殖帶來(lái)的硬化效應(yīng)。
(3)不同粒徑SiCp/Al-7Si復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究表明,小尺寸SiC顆粒(4.5μm)增強(qiáng)復(fù)合材料的門(mén)檻值ΔKth(3.88 MPa·m1/2)要高于基體合金(3.60MPa·m1/2)以及大尺寸SiC顆粒(20μm)復(fù)合材料(3.63 MPa·m1/2),且在相同的ΔK水平下,小尺寸顆粒復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展速率始終比基體材料低;20μmSiCp/Al-7Si復(fù)合材料
8、的裂紋擴(kuò)展速率,在近門(mén)檻區(qū)以及穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展區(qū),低于基體材料;而在快速擴(kuò)展區(qū),則高于基體。增強(qiáng)相SiC顆粒對(duì)裂紋偏折以及SiC微裂紋萌生均會(huì)使裂紋路徑曲折,提高裂紋擴(kuò)展抗力,特別是SiC顆粒的自身微裂紋萌生是導(dǎo)致小尺寸SiC顆粒復(fù)合材料具有較高的閉合效應(yīng)的主要原因。SiC顆粒對(duì)裂紋偏折是20μmSiCp/Al-7Si復(fù)合材料疲勞裂紋門(mén)檻值高于基體合金的主要原因。隨ΔK的增加,裂紋穿過(guò)SiC顆粒向前擴(kuò)展概率增加,SiC顆粒與基體頻繁分離以及
9、SiC顆粒頻繁斷裂導(dǎo)致該復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展速率會(huì)高于基體合金。
不同基體Si含量(7%,13%,20%)復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究表明,在低ΔK下,復(fù)合材料的疲勞裂紋遇到Si顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn),Si相有阻礙裂紋擴(kuò)展的作用,且隨Si含量的增加,裂紋偏轉(zhuǎn)頻率越高,裂紋路徑更為曲折;由于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及彈性模量也Si含量的增加而提高,導(dǎo)致裂紋尖端的張開(kāi)位移(CTOD)的減小,使得4.5μm SiCp/Al-20Si復(fù)
10、合材料表現(xiàn)出最高門(mén)檻值。而在高ΔK下,隨Si含量的增加,疲勞裂紋尖端處由于Si/Al基體界面處空洞的形核以及初晶Si的斷裂所造成的微裂紋就越多,且隨應(yīng)力因子的提高,裂紋尖端處微裂紋的連接更加容易是導(dǎo)致復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展抗力逐漸降低的主要原因。
(4)隨相對(duì)密度的提高,SiCp/Al-Si復(fù)合材料熱疲勞裂紋擴(kuò)展的速率下降。裂紋擴(kuò)展速率、顯微硬度隨熱循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出類階段性的起伏變化,體現(xiàn)出熱循環(huán)過(guò)程中熱應(yīng)力釋放與產(chǎn)生交
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