原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料宏细观力学行为研究

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随着发动机强化水平不断提高,为保证发动机关键部件—活塞服役的可靠性,纤维或颗粒增强的铝基复合材料由于越来越多的应用于活塞的局部增强和整体增强。原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度、高的耐磨性能、以及尺寸稳定性等优点,克服了传统颗粒增强复合材料内部缺陷多、界面结合弱等缺点,是一种新型的活塞用铝基复合材料。本文以原位自生TiB2/Al-Si复合材料为研究对象,结合发动机活塞服役时的典型工况以及复合材料特有的组成结构,从宏观和细观两个层面,采用试验研究和数值模拟相结合的方法,探究TiB2/Al-Si复合材料的高温拉伸性能与高温疲劳特性,为TiB2/Al-Si复合材料在活塞上的应用提供科学依据。论文研究内容包括以下四个方面:(1)试验研究了TiB2/Al-Si复合材料的静载拉伸特性与拉伸破坏机理。结果表明:在室温及高温下,复合材料的杨氏模量较基体合金都得到有效提高。在200℃和350℃,复合材料的屈服强度和抗拉强度的提升并不显著。在室温及200℃时,复合材料的断后伸长率明显低于基体合金。而在350℃时,复合材料的断后伸长率与基体合金接近。在室温及200℃时,复合材料的宏观表现为脆性断裂。350℃下,复合材料表现为明显的塑性韧窝断裂特征。(2)开展了TiB2/Al-Si复合材料的高温低周疲劳试验研究。结果表明:高温200℃疲劳加载时,复合材料整体表现出循环稳定的特性。350℃时,铝基复合材料出现了明显的循环软化现象。200℃下,铝基复合材料的疲劳寿命主要受到弹性应变的影响。350℃时,塑性应变为影响复合材料疲劳寿命的主导机制,复合材料的低周疲劳寿命随着温度的升高而逐渐增加。复合材料疲劳裂纹起源于试样表面或近表面的容易引起应力集中的粗大硅相、合金相聚集处以及气孔等缺陷处。在200℃时,疲劳断口整体表现为脆性断裂和穿晶断裂。350℃时,疲劳断口整体表现为为韧性断裂和沿晶断裂。(3)建立了复合材料颗粒随机分布有限元模型,对TiB2/Al-Si复合材料的室温及高温拉伸性能以及渐进损伤进行了细观力学有限元模拟。计算结果显示:室温及200℃时,杨氏模量和拉伸强度计算值高于材料的试验值,350℃计算得到的拉伸特性值与试验值吻合较好。细观应力-应变云图显示:颗粒和基体的界面一直处于高应力状态,结合面为复合材料的危险点,容易诱发颗粒与基体界面的脱粘,塑性变形的产生绝大部分来自于基体合金,TiB2颗粒的团聚容易引起基体的局部应变的集中,导致基体过早发生局部破坏失效。(4)基于Karim-Ohno随动强化模型,引入各向同性硬化率的影响,发展了可用于描述材料高温特性的力学模型,并结合细观力学有限元法,对循环载荷下TiB2/Al-Si复合材料的疲劳性能进行了细观力学有限元模拟。计算结果显示:该模型对于200℃时,复合材料的循环稳定以及Bauschinger效应给出了较好的估计。350℃时,模拟预测值在复合材料循环应力响应幅值大小和循环滞回环形状上与试验相吻合。细观应力-应变云图显示:在循环加载中,TiB2增强颗粒在拉、压状态都处于高应力状态,基体合金承担了绝大部分的塑性变形。最大拉、压应力均出现在基体和颗粒的结合面处,并且沿着结合面形成了与加载轴线方向成45°的高塑性应变区。
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