連續(xù)CF-Al復合材料準靜態(tài)拉伸細觀損傷與斷裂力學行為研究.pdf

1、學校代碼：10406分類號：TB333學號：150308020110南昌航空大學南昌航空大學碩士學位論文（學位研究生）連續(xù)連續(xù)CFAl復合材料準靜態(tài)拉伸細觀損傷與斷復合材料準靜態(tài)拉伸細觀損傷與斷裂力學行為研究裂力學行為研究碩士研究生：田亮導師：王振軍副教授申請學位級別：碩士學科、專業(yè)：機械制造及其自動化所在單位：航空制造工程學院答辯日期：2018年6月授予學位單位：南昌航空大學I摘要先進碳纖維具有密度低，強度和模量高、高低溫性能穩(wěn)定、熱

2、膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能；鋁合金韌性較好且具有一定塑性，價格低廉加工方便，而且耐腐蝕和耐熱性能優(yōu)異。由二者復合而成的連續(xù)纖維增強鋁基復合材料（CFAl復合材料）兼具兩種組元材料的特性，而且呈現(xiàn)出高比強度和高比模量，抗疲勞耐磨損，以及良好尺寸穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點，其較鈦合金和高分子復合材料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料優(yōu)勢明顯，是滿足未來航空航天結(jié)構(gòu)輕量化、高精度技術要求的先進復合材料。現(xiàn)階段關于CFAl復合材料的研究，主要集中在制備工藝方法、微觀組織、界面反

3、應控制等方面，而關于CFAl復合材料承載變形時損傷與斷裂行為的研究并不多，從微觀角度掌握其損傷演變規(guī)律與內(nèi)在失效機理，不僅可為進一步改進制備工藝提高材料性能提供理論指導，也是復合材料性能設計及工程應用亟待解決的基礎問題。本文選用石墨纖維M40J為增強體，鑄造鋁合金ZL301為基體合金，采用真空壓力浸滲法制備出了纖維體積分數(shù)為55%的單向CFAl復合材料。采用單軸拉伸和顯微硬度實驗獲得了基體合金彈塑性力學行為和界面結(jié)合性能，通過準靜態(tài)拉伸

4、實驗研究了復合材料縱向和橫向拉伸斷裂力學行為，獲得了其縱向和橫向拉伸彈性模量、拉伸強度、斷裂應變等性能參數(shù)。在此基礎上，通過對基體合金延性損傷、界面損傷減聚和纖維斷裂等關鍵問題的處理，建立了單向CFAl復合材料細觀力學三維有限元模型，計算獲得了復合材料縱向和橫向準靜態(tài)拉伸載荷下的力學響應，通過實驗與計算結(jié)果對比分析了細觀力學模型的可靠性。在此基礎上，通過數(shù)值模擬進一步研究了纖維性能、界面性能和纖維體積分數(shù)對復合材料微觀損傷和宏觀力學性能

5、的影響規(guī)律，獲得以下主要結(jié)論：（1）復合材料橫向拉伸微觀損傷演變與失效機理如下：復合材料界面首先發(fā)生局部損傷，隨著橫向應變增加，界面損傷不斷積累并引起局部界面發(fā)生脫粘和失效，與此同時界面失效導致基體合金局部應力集中，從而使得界面附近基體合金開始損傷，此后隨塑性應變增大基體合金損傷程度逐漸增加并引發(fā)界面區(qū)域的基體合金失效，最終引起纖維與基體開裂而導致復合材料發(fā)生整體橫向斷裂。（2）復合材料縱向拉伸微觀損傷演變與失效機理如下：界面損傷積累引