SiCfTi-6Al-4V復(fù)合材料的宏細(xì)觀力學(xué)性能研究.pdf

1、連續(xù)S iC纖維增強(qiáng)T i基復(fù)合材料（SiCf/Ti)具有高比強(qiáng)度、比剛度、比模量以及良好的高溫性能和疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，用于制作葉片、機(jī)匣和整體盤等航空零部件，可大大減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，提高飛行器的工作效率。然而 SiCf/Ti基復(fù)合材料能否成功應(yīng)用，力學(xué)性能是關(guān)鍵。一方面，由于纖維和基體熱膨脹系數(shù)的差異，SiCf/Ti基復(fù)合材料從制備溫度冷卻到室溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力，從而影響其力學(xué)性能；另一方面，SiCf/Ti復(fù)合材料本身存在嚴(yán)重的

2、各向異性，橫向性能遠(yuǎn)低于縱向性能，而復(fù)合材料在服役過程中難免受到一些橫向力的作用。此外，SiCf/Ti復(fù)合材料經(jīng)常在高溫環(huán)境下工作，而鈦合金基體在高溫下的一個(gè)主要性能特點(diǎn)就是蠕變。因此，全面研究SiCf/Ti基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力、縱向性能、橫向性能和蠕變性能，對(duì)制備技術(shù)的改進(jìn)和力學(xué)性能的提高都具有重要的指導(dǎo)作用。
　　采用ANSYS有限元分析軟件，建立三維模型，系統(tǒng)分析纖維排布方式、體積分?jǐn)?shù)和基體性能等因素對(duì)復(fù)合材料徑向、軸向和周

3、向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，界面徑向殘余應(yīng)力沿纖維周向分布的不均勻性隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，但纖維六方排布時(shí)這種不均勻性增加的幅度遠(yuǎn)低于四方和四方對(duì)角排布時(shí)增加的幅度；界面軸向殘余應(yīng)力基本不受纖維排布方式的影響沿纖維周向的分布都比較均勻，尤其是纖維體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)；界面周向殘余應(yīng)力受纖維排布方式影響與徑向殘余應(yīng)力類似?；w和纖維熱膨脹系數(shù)越接近，熱殘余應(yīng)力就越小，沿纖維周向分布的均勻性也越好;基體彈性模量越大，復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力

4、越大;基體屈服強(qiáng)度大于某一臨界值時(shí)界面殘余應(yīng)力不隨屈服強(qiáng)度的改變而改變，反之，界面殘余應(yīng)力隨屈服強(qiáng)度的減小而減小。
　　通過有限元與Monte-Carlo相結(jié)合的方法研究了界面剪切強(qiáng)度、纖維體積分?jǐn)?shù)和個(gè)別低強(qiáng)度纖維的提前斷裂對(duì)SiC/Ti-6Al-4V復(fù)合材料縱向拉伸性能的影響。結(jié)果表明，界面結(jié)合強(qiáng)度低，復(fù)合材料斷裂模式為非共面失效，且低應(yīng)力下個(gè)別纖維的提前斷裂會(huì)使應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)兩個(gè)非線性拐點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)于提前斷裂纖維的界面脫

5、粘和基體屈服）同時(shí)使縱向抗拉強(qiáng)度降低；界面結(jié)合強(qiáng)度高，斷裂模式為接近共面的災(zāi)難性失效，這種情況下復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度基本不變。纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度影響較大，體積分?jǐn)?shù)越高，抗拉強(qiáng)度越高，但相應(yīng)的拉伸應(yīng)變正好相反。
　　采用掃描電鏡和能譜儀等設(shè)備研究了SiCf/C/Ti-6Al-4V復(fù)合材料在不同熱暴露條件下的界面及力學(xué)行為。結(jié)果表明，界面層厚度隨熱暴露溫度的升高和時(shí)間的延長而增大；C涂層有剩余時(shí)界面反應(yīng)物僅為TiC; C涂層被

6、消耗完時(shí)，除T iC外，反應(yīng)產(chǎn)物中可形成鈦的硅化物Ti3SiC2和Ti5Si3;制備態(tài)及750℃/36h熱暴露后的SiCf/C/Ti-6Al-4V復(fù)合材料縱向拉伸過程中有明顯的纖維拔出現(xiàn)象，且沿著纖維排布均勻性較差甚至有個(gè)別纖維呈現(xiàn)搭接的區(qū)域，基體出現(xiàn)明顯的斷裂臺(tái)階；900 C/60 h真空熱暴露后SiCf/C/Ti-6Al-4V復(fù)合材料拉伸過程中纖維沒有拔出且在同一位置斷裂，屬典型的脆性斷裂。
　　根據(jù)纖維周期性分布的特征，通過

7、二維平面應(yīng)變模型探討了橫向拉伸載荷下SCS-6/Ti-6Al-4V復(fù)合材料界面的失效機(jī)制及各種失效機(jī)制下的橫向性能。結(jié)果表明，高界面結(jié)合強(qiáng)度下，無論纖維體積分?jǐn)?shù)的高低，界面失效模式都傾向于單純的徑向失效，且溫度越高，徑向失效的可能性越大；低界面結(jié)合強(qiáng)度下，界面失效模式為切向失效導(dǎo)致徑向失效或先切向失效接著發(fā)生徑向失效，且溫度和纖維體積分?jǐn)?shù)越低，后者發(fā)生的可能性越大。位移載荷下，復(fù)合材料橫向拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在界面結(jié)合強(qiáng)度無限大時(shí)為僅