高速冲击载荷下SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料断裂行为研究

利用自制高速冲击加载试验装置(应变率ε>104s-1)研究SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料的室温断裂行为.利用配有能谱(EDX)的扫描电子显微镜(SEM)对冲击前后的SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料作微观形貌分析,对比研究了其高速冲击载荷下(ε>104s-1)与ε为102～103 s-1时断裂行为的差异.结果表明:高速冲击载荷下,三维连通网状SiC骨架/Zr基非晶复合材料中非晶相典型断口形貌为类蜂窝状花样,伴有微孔洞和微裂纹产生,各种花样尺寸均比ε为102～103 s-1时小,白亮边低矮,断口形貌随非晶相尺寸变化发生改变,SiC相以解理断裂为主,部分区域出现SiC碎化.

高速冲击载荷下钨骨架／Zr基非晶合金复合材料的变形特征

利用自制高速冲击加载试验装置研究了钨骨架/Zr基非晶合金复合材料的室温变形特征。该复合材料在高速冲击载荷作用下的变形特征主要包括钨骨架碎化、Zr基非晶合金软化且沿钨骨架变形的方向发生流动。在剪切断裂面上不同变形带之间有明显的交界线,这些交界线形成剪切带和裂纹。

W骨架/Zr基非晶合金复合材料动态力学特性研究

利用分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)和SEM、XRD等测试方法研究了W骨架/Zr基非晶合金复合材料的动态力学性能及断裂模式。结果表明,复合材料具有较高的动态压缩强度,在采用0.8MPa打击压力时动态压缩强度接近1900MPa。复合材料的断裂包括沿W/W界面、W/非晶界面开裂以及W颗粒解理几种断裂模式,W骨架的特性和材料的交叉网络结构提升了整体塑性。

制备工艺对多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料准静态压缩性能的影响

利用WDW-E100D型万能试验机和S-4800场发射扫描电镜,研究了不同工艺制备的多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩性能和断口形貌特征.结果表明:制备工艺决定多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩强度,当工艺参数非晶合金浇注温度为860℃,浇注后保温6 min时最佳.多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩断裂为脆性断裂.断口形貌特征主要包括多孔SiC陶瓷产生解理台阶,Zr基非晶合金产生尖脊状、细脉状等不同形态的脉状花样.

W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻能力与后效研究

将W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片装入弹体制备成预制破片弹丸,并进行实爆试验,研究W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻靶板的能力,以及预制破片贯穿靶板后对棉被、油箱的引燃能力。结果表明:制备的W骨架/Zr基非晶合金复合材料密度大、强度高,爆炸完整性和侵彻能力能够满足作为榴弹预制破片的要求;W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻过程中自身变形是影响侵彻能力的主要原因之一;W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻和贯穿靶板的过程中伴随着强烈的爆轰,当穿透率足够高时,预制破片的爆轰作用能够引燃靶后的棉被和油箱。

浸渗温度对W_f/Zr基非晶合金复合材料压缩性能的影响

基于逆向浸渗工艺方法,制取了不同浸渗温度下的Wf/Zr基非晶合金复合材料。研究了此种合金复合材料晶体界面组织形态及其压缩性能和结合强度受浸渗温度的影响。结果表明,在浸渗温度1 100 K的环境下保温30 min制备出的Wf/Zr基非晶合金复合材料的最高压缩强度可达2 409 MPa,其塑性变形程度达到19.5%。

Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料的准静态压缩力学行为

通过对Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料进行准静态压缩试验,对其变形及断裂机理等展开研究,为该类材料的成分设计和工程应用提供基础。试件是由Ti基非晶合金与不同孔隙率的SiC陶瓷骨架复合所得,在不同应变速率下,对试样进行室温轴向准静态压缩性能测试,并观察试件的微观组织和断面特征。结果表明:SiC体积分数为85%的复合材料的准静态抗压强度达到2343 MPa,抗压强度随SiC含量增加而增加,在准静态加载的应变率范围内,复合材料及各相的强度对应变率不敏感,断裂特征为典型的脆性断裂;裂纹主要在SiC相和两相界面处扩展,Ti基非晶相对裂纹的扩展起到阻碍作用;SiC相对Ti基非晶相的约束诱发了Ti基非晶相中多重剪切带的形成,提高了材料复合的变形能力,而Ti基非晶相对SiC相的约束导致SiC相碎化严重,增强了复合材料的承载能力。

Ti基非晶合金及其SiC陶瓷骨架复合材料动态压缩力学行为研究

为了验证Ti基非晶合金和陶瓷两种材料三维连通网状结构的复合优势,制备出具有优良抗冲击性能的复合材料,本文采用铜模吸铸法制备了Ti基非晶合金,并用渗流铸造法制备出孔隙率分别为30.86%、18.14%和15.28%的Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料。采用X射线衍射仪对纯Ti基非晶合金以及SiC陶瓷骨架复合材料进行相分析,确认了试件材料的非晶状态;在不同应变速率下,用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对试样进行室温轴向动态压缩力学性能测试,并利用能谱型场发射扫描电镜(SEM)等设备观察了试件的微观组织和断面特征,对比分析了Ti基非晶合金和SiC陶瓷骨架复合材料的动态压缩力学性能和失效机理。研究表明,Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料内部的微裂纹最初萌生于应力集中的两相界面处,并在SiC相内部或两相界面处扩展,继续加载,SiC相失效后,Ti基非晶合金相在远超过其动态压缩强度的应力下迅速失效,复合材料整体失效。SiC相内的断裂形貌主要有微裂纹与解理台阶,Ti基非晶合金相内的断裂形貌有脉状花样、多重脊状条带、蜂窝状花样与光滑无特征区,其中以光滑无特征区为主。复合材料的抗压强度随SiC含量的增加而增加,SiC体积分数为85%的复合材料,其动态抗压强度达到1 664 MPa。

锆基非晶合金及其复合材料的非等温晶化动力学行为

非晶合金及其复合材料受热时容易发生晶化转变,这显著影响其力学性能。因此需要对非晶合金及其复合材料晶化动力学行为进行研究,明确材料应用环境,并对材料应用过程中的组织状态进行定量分析,这对材料工程应用具有重要意义。本文采用差示扫描量热法研究(Zr_(40.08)Ti_(13.30)Cu_(11.84)Ni_(10.07)Be_(24.71))_(99)Nb_(1)非晶合金及W/(Zr_(40.08)Ti_(13.30)Cu_(11.84)Ni_(10.07)Be_(24.71))_(99)Nb_(1),非晶复合材料的非等温晶化动力学行为。结果显示,随着加热速率的增大,锆基非晶合金及其复合材料的T_(g)、T_(x1)、T_(p1)、T_(x2)和T_(p2)均向高温方向移动、过冷液相区△T不断加宽,二者的晶化转变和玻璃化转变均具有明显的动力学效应。分别采用Kissinger方程和Ozawa方程计算锆基非晶合金及其复合材料的激活能,两种方法计算的激活能数值的变化规律一致,但Ozawa方程计算的激活能数值更大。通过对比锆基非晶合金及其复合材料的激活能数值,可以得出非晶复合材料的抗晶化能力更高、热稳定性更强,并且根据Avrami指数n(x)可以得出非晶合金及其复合材料的晶化过程均由三维扩散长大模式进行。

Zr基非晶破片对碳纤维复合靶及后效铝靶的侵彻试验研究

Zr基非晶破片是一种新兴的活性高效毁伤元,其着靶速度达到一定阈值时会发生燃烧反应并破碎,从而大幅提高其后效毁伤能力。为研究Zr基非晶破片对碳纤维增强复合材料的侵彻破坏机理及后效毁伤能力,利用弹道枪加载球形破片,分别以496.4~1 085.8 m/s、571.4~1 103.9 m/s的速度范围撞击8和6 mm厚的碳纤维复合靶,并布置2 mm厚LY12铝靶板作为后效靶,以比较破片在不同工况下的后效毁伤能力。实验结果表明:碳纤维靶受活性破片冲击时,其迎弹面的破坏形式主要是压缩失效与剪切失效的耦合破坏,其背弹面的破坏形式主要是拉伸失效破坏与层间的脱粘分裂;随着破片着靶速度的提高,碳纤维靶板的压剪耦合破坏比例逐渐增加,拉伸断裂与分层现象逐渐减弱;破片对于8和6 mm厚碳纤维靶的弹道极限速度分别为351.9、264.6 m/s;相同着靶速度下,8 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积大于6 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积,两者之间的差异随着着靶速度的提高而逐渐减小;破片冲击等厚度碳纤维靶时,破片的后效毁伤能力随着靶速度的提高而增强。

钨丝增强Zr基非晶复合材料动态力学行为及断裂特性

采用渗流铸造法制备出d 6 mm钨丝增强ZrTiCuNiBe非晶合金复合材料,并利用Hopkinson压杆冲击加载装置、X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段研究其动态压缩行为及断裂特性。结果表明:随着钨丝直径减小和体积分数的增加,材料的动态压缩强度增大;当钨丝直径为0.25 mm,体积分数为60%时,材料的动态压缩强度高达2 600 MPa,断裂模式为剪切断裂和劈裂混合破坏模式,同时有钨丝与基体发生脱粘现象。非晶基体在动态压缩条件下表现出显著的热软化和熔化特征。

W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片的冲击释能特性

W骨架/Zr基非晶合金复合材料是一种新型含能结构材料。采用准密封箱冲击超压实验,研究了W骨架/Zr基非晶合金复合材料的在不同冲击速度下和靶板厚度下的冲击释能特性。并根据温度控制含能结构材料冲击诱发化学反应的热动力学理论,确定了材料的化学反应参数,分析了材料的热化学反应特性。结果表明,材料冲击超压峰值与冲击速度正相关,其激发反应阈值为766m/s,在相同速度下,有使破片靶后释能效率最大化的最优靶板厚度,但在8 mm厚钢靶范围内,前板厚度对冲击释能特性影响不大。材料冲击激发化学反应的冲击压力阈值Pc=18.37GPa,对应的理论温度阈值Tc=3736.6K。材料反应效率随着冲击压力和击波温度的增加而增加,在40 GPa冲击压力范围内,材料并未完全反应,其理论反应效率达到61.5%。

钨丝/锆基非晶合金复合材料的动态力学特性

研究不同体积分数的 W丝 / Zr基非晶合金复合材料的应力 -应变响应和动态断裂特征以及断口形貌 .利用Hopkinson压杆冲击加载装置和扫描电子显微镜 (SEM)以及 X射线衍射 (XRD) ,对圆柱形复合材料试样进行了相关研究 .研究结果表明 :Zr基非晶合金复合材料具有很高的动态压缩强度 ,随着 W丝体积分数的增加 ,材料的动态压缩强度也增加 ,当 W丝体积分数达到 6 0 %时 ,复合材料动态压缩强度达到 2 6 5 0 MPa;断裂表面呈现剪切与 W丝劈裂、屈曲混合破坏模式 ;

微量氮元素添加对Zr基非晶合金力学性能影响的研究

采用铜模吸铸法,成功地制备了直径3 mm的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)(x=0、0.5、1.0、1.5、2.0)非晶合金棒材。利用氮氧分析仪、X射线衍射仪、差示扫描量热仪、万能试验机、显微硬度计和扫描电镜等手段,系统地研究了氮含量对(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)非晶合金的力学性能的影响。同时,对氮元素添加时非晶合金体系的剪切带与断口形貌进行了分析讨论。结果表明:不同氮含量的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)合金中,氮含量(原子百分数)分别为0.08%、0.49%、1.18%、1.48%、1.73%;在添加微量氮元素前后,块体合金(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)均呈现完全非晶结构;原始Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)非晶合金的显微硬度值为478.62 HV,添加氮元素后显微硬度随氮含量增加而递增,显微硬度最高为519.16 HV;添加氮元素前,Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)合金的抗压强度为1738 MPa、塑性形变量为2.1%;当x=0.5时,抗压强度降至1719 MPa、塑性形变量降至1.0%;当x≥1.0时,抗压强度持续下降且塑性较差。

W骨架/Zr基非晶合金复合材料细观胞元重构

采用两点概率函数提取W骨架/Zr基非晶合金复合材料的统计特征并重构代表体积单元。结果显示,两点概率函数可以良好的描述复合材料的微细观几何结构特征,并给出了材料呈宏观各向同性的理论依据;获得的代表体积单元与原材料图像拥有相同的几何特征和仿真分析结论,胞元尺寸仅为原材料SEM图像的2.2%,可有效提高有限元仿真的效率。该研究为W骨架/Zr基非晶合金复合材料的研究提供了途径。

Zr基非晶合金/W丝复合材料动态断裂模式研究

利用Hopkinson压杆装置(SHPB)和SEM等研究室温下经过不同工艺处理的Zr基非晶合金/W丝复合材料的动态力学性能及断裂模式。结果表明,由工艺4制备的复合材料具有最好的动态压缩性能,在0.8MPa打击压力下,其动态抗压强度达到3965MPa。该复合材料动态压缩断裂模式为混合断裂模式,包括剪切断裂和纵向开裂,W丝呈现劈裂和屈曲特征。

纤维体积分数对W纤维/Zr基非晶合金复合材料压缩性能的影响

采用渗流铸造法制备了含不同体积分数W纤维的W_f/Zr基非晶合金复合材料,其中W_f体积分数分别为47%、66%、77%和86%。研究了W_f体积分数对Zr基非晶复合材料室温准静态压缩力学性能以及变形行为的影响。结果表明:随W_f体积分数的增加,W_f/Zr基非晶复合材料的屈服强度单调增大,塑性应变先增大后减小,W_f体积分数为66%时塑性应变最大,W_f/Zr基非晶复合材料塑性应变的变化主要取决于非晶基体和W_f相互作用的程度。随着应变量的增大,基体中剪切带的数量和密度也随之增大,主剪切带向大于45°方向偏转。由于压头的影响,W_f/Zr基非晶复合材料压缩过程中样品端部和中部的受力状态不同,导致两部分的剪切带方向也明显不同。随W_f体积分数的增大,W_f/Zr基非晶复合材料的断裂方式由剪切断裂向纵向劈裂转变,断裂行为符合摩尔库伦准则。

W纤维增强Zr基非晶复合材料的界面研究现状

评述了W纤维增强Zr非晶合金复合材料的界面润湿行为、界面反应和残余应力等研究现状,分析了影响复合材料界面的因素,讨论了控制和优化界面特性的途径和方法。

体积分数对W_f/Zr基非晶复合材料准静态压缩特性的影响

系统研究了体积分数对钨丝增强Zr基非晶复合材料力学性能的影响。结果显示,在钨丝体积分数﹤50%时,复合材料以剪切方式断裂为主,压缩强度和塑性应变随着体积分数的增加而增加;在体积分数≥50%时,复合材料以弯曲和劈开方式断裂为主,压缩强度随着体积分数的增加而继续增加,而塑性应变则开始降低。分析表明,钨丝体积分数的变化通过影响剪切带的形成而引起材料的力学性能发生变化。

高应变速率下钨丝增强锆基块体非晶合金复合材料的变形行为

利用压力浸渗制备出钨丝增强Zr_(41．25)Ti_(13．75)Ni_(10)CU_(12．5)Be_(22．5)块体非晶合金复合材料,采用应变速率为1×10^(-4) s^(-1)的准静态压缩实验及应变速率为2×10~3s^(-1)的动态压缩实验的方法,研究了在动载荷作用下该复合材料的力学性能．结果表明,准静态压缩时,复合材料的强度约为1980 MPa,与单一块体非晶合金相比并无显著提高．而塑性提高约5倍,达到11．5%；动态压缩时,复合材料的最大抗压强度升至约2648 MPa,塑性则在1．8%—7．5%之间,复合材料的应变速率敏感指数为0．022．在准静态压缩下,复合材料的抗压强度受到残余热应力及钨丝失稳弯曲极限压应力的影响；在动态压缩下,除了热应力的影响外,还受到钨丝剪切断裂以及复合材料正弦型弯曲行为的影响．后两者使复合材料的抗压强度在动态加载条件下升高．