纤维增强金属基复合材料热机械疲劳模型的研究进展

中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂国家重点实验室，沈阳 １１００１５摘 要 纤维增强金属基复合材料的热机械疲劳（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ简称ＴＭＦ）特性的研究在近年受到高度重视．本文根据国内外近期进行的理论研究以及获得的主要成果作一概要介绍．对于热机械循环特性，主要介绍基于细观力学方法的轴向性质模型，以及基于断裂与损伤理论的横向性质模型．对于热机械疲劳性能研究，结合横向性质导出两种热机械疲劳模型，然后分析基体的细观结构对疲劳寿命的影响．

SiC/Al复合材料断裂机制的声发射研究

用SiC单纤维Al基模型复合材料使断裂源单一化，测定这些断裂源的声发射特征，成功地用声发射特征区分和识别复合材料中的纤维断裂、纤维—Al基体间的界面断裂、基体断裂，结合金相观察，分析了这些断裂源产生不同声发射特征的原因．

用扫描电镜直接观察变形材料中的位错结构──[001]取向铜单晶疲劳位错结构的研究

用扫描电镜（SEM）的电了通道讨度（ECC）技术研究了[001]取向铜单晶中的疲劳位错结构结果表明，SEMECC技术不仅可以真实地、全面地显示疲劳位错组态，而且还揭示了表面出现的宏观形变带与位错结构的对应关系.

镁基轻质材料的研究与应用

介绍了镁基轻质材料在现代工业发展中的作用、研究与应用状况和发展趋势论述了国外压铸镁合金及其在汽车工业中的应用．

碳纤维增强C-SiC梯度基复合材料研究

采用CVI工艺均热法共沉积技术制备了碳纤维增强C－SiC梯度基复合材料。C和SiC的原料气体分别是C2H2和CH3SiCl3，Ar和H2分别是载流和稀释气体。基体微观结构的变化通过控制原料气体的成分配比获得。测试了材料的力学性能、抗氧化性能和摩擦磨损性能。利用金相技术、电子探针成分分析技术、TEM和SEM技术观察和分析了材料的微观结构。试验结果表明，这种材料的组织结构特点是：在微观上是梯度的，即围绕着纤维的基体成分连续地从碳变化到SiC；在宏观上，它属于均质的热结构复合材料。弥散在基体中的SiC起到基体改性的作用，基体壳层外边的SiC起到涂层的作用，因此它的抗氧化性能明显优于C／C材料。

脆性材料中的微裂纹尖端结构与断裂

利用低载荷Ｖｉｃｋｅｒｓ压痕的方法在ＧａＡｓ单晶中诱发微裂纹，通过透射电子显微镜和高分辨电子显微镜对裂纹尖端进行了观察．结果表明，裂纹尖端前沿诱发了位错；沿着裂纹扩展方向出现了晶格扭曲，进而产生局部的无序化结构；无序化结构的扩大与连接形成具有１－２ｎｍ宽度的非晶窄带．裂纹在非晶窄带中萌生，并沿着非晶带扩展．弯曲的裂纹表面和具有一定宽度的裂纹尖端说明，裂纹的扩展并不是沿着某特定的原子面原子键脱开，而是在非晶窄带中由结合键较弱的原子之间的断键并相互连接的结果．

化学气相渗C／SiC材料结构与性能的研究

采用碳布层叠然后用化学气相渗方法制备了Ｃ／ＳｉＣ复合材料。这种材料纤维与基体间的界面是决定材料力学行为的重要因素。带有热解碳作为界面层的Ｃ／ＳｉＣ材料，在断裂时表现出大范围的脱粘，纤维与周围的基体不是同时发生断裂，有大量的纤维拔出，断口类似毛刷。无界面层材料表现为脆性平面断口，裂纹直接通过纤维和基体向前扩展，没有发生脱粘。

SiC晶须增强6061Al基复合材料的热机械疲劳性能 Ⅱ.疲劳寿命与损伤机制

研究了本积分数为１５％和２８％ＳｉＣＷ／６０６１Ａｌ基复合材料的同相和反相热机械疲劳寿命和损伤机制．结果表明：在小应变范围时，同相比反相疲劳寿命长，而在大应变时，同相疲劳寿命接近（对于２８％ＳｉＣＷ）、甚至短于（对于１５％ＳｉＣＷ）反相热机械疲劳寿命；１５％ＳＩＣＷ／６０１６Ａｌ基复合材料的反相热机械疲劳寿命高于２８％ＳｉＣＷ／６０１６Ａｌ基复合材料的寿命．两种材料的同相热机械疲劳寿命曲线存在交叉点，寿命高低取决于应变水平；同相和反相热机械疲劳的损仿均为空洞在ＳｉＣ晶须周围基体中形核、长大和连接．

挤压SiC_w／LD2复合材料的疲劳强度及其影响因素

研究了挤压１６ｖ．─％─ＳｉＣ_ｗ／ＬＤ２复合材料在两种晶须取向和两种时效状态下的疲劳强度。用ＴＥＭ和ＳＥＭ观察了疲劳前后的显微组织和断口形貌。结果表明，ＳｉＣ_ｗ／ＬＤ２具有较高的高周疲劳强度，而且纵向试样的疲劳强度比横向试样的高。

SiC晶须增强6061Al基复合材料的热机械疲劳性能Ⅰ.应力应变行为

对体积分数为１５％和２８％的ＳｉＣＷ／６０６１Ａｌ复合材料进行了同相和反相热机械疲劳（ＴＭＦ）实验，研究了疲劳过程中的应力应变行为和变形机制．结果表明，两种材料在同相和反相加载下均表现为循环软化；反相加载产生拉伸平均应力，同相加载产生压缩平均应力；在相同应变范围下，高体积分数复合材料的循环应力范围比低体积分数复合材料的应力范围大．

银、铬、钇和铝离子注入多晶纯铁的高周疲劳性能研究

研究了多晶ｂｃｃ纯铁分别经Ａｇ＋，Ｃｒ＋，Ｙ＋和Ａｌ＋注入前后的高周疲劳性能，测定了Ｓ－Ｎ曲线，并作了数学拟合。结果表明，各种离子注入后纯铁的疲劳持久极限应力均得以提高（从３．７％至１７．６％）。作者认为，注入引起的辐照缺陷，过饱和固溶以及金属间化合物对注层的强化作用是注入改善高周疲劳性能的主要机制。

谱载荷下的短裂纹扩展规律及疲劳损伤的研究

本文研究了一种谱载荷作用下的短裂纹扩展规律，并对谱载荷下的疲劳损伤进行了预测与分析。实验发现：谱载荷下的单边穿透短裂纹和缺口短裂纹都能够在长裂纹的门槛值以下以较高的速率扩展，表现出与常幅下短裂纹相似的扩展规律．但谱载荷下的短裂纹扩展速率略低于常幅下的短裂纹扩展速率，谱载荷下长裂纹的扩展速率远低于常幅下长裂纹的扩展速率．利用特征值方法和常幅疲劳实验预测了冰载荷谱下的疲劳损伤，提出了预测冰载荷谱下的疲劳损伤较为合理的方法。

低频内耗方法研究纳米晶Al块体材料的退火效应

运用低频内耗温度谱和ＴＥＭ显微观察，系统研究了由含Ｈ等离子蒸发制备的粉料经冷压得到的 纳米晶Ａｌ试样的滞弹性行为及结构演化过程．结果表明：当Ｔ预通火＜８２３Ｋ时，内耗Ｑ－１随温度指数增加； 当８２３Ｋ≤Ｔ预通火≤８９３Ｋ时，内耗Ｑ－１的温度谱在指数背景上出现分布很宽的弛豫峰Ｐ０．该峰远低于经典 的粗晶Ａｌ的晶界峰；峰的激活能为（１．２０±０．０５）ｅＶ，介于粗晶Ａｌ沿晶界扩散的激活能与晶格扩散激活能 之间．８９３ Ｋ预退火４０ｍｉｎ后进行８５％冷轧量变形并经７２７ Ｋ退火６０ｍｉｎ的纳米晶Ａｌ，内耗Ｑ－１随温度的变 化表现为双弛豫峰Ｐ１和 Ｐ２．Ｐ１峰的激活能为（１．２２±０．１８）ｅＶ，Ｐ２峰的激活能为（１，５３±１６）ｅＶ．Ｐ１峰温 和激活能与Ｐ０峰相当，Ｐ２峰温和激活能与粗晶Ａｌ晶界峰相当，ＴＥＭ显微观察表明纳米晶Ａｌ的晶间结构及 晶粒形状随预退火和冷变形处理发生了改变．根据上述结果，对预退火及冷变形处理引起的纳米晶Ａｌ的结 构变化和内耗本质进行了探讨．

小幅载荷在A537钢疲劳裂纹扩展过程中作用的研究

采用Ａ５３７钢单边缺口试样，研究了以不同方式叠加在主载荷△Ｐ上的小幅载荷在疲劳裂纹扩展过程中的作用，并采用激光散斑技术测量了循环加载过程中的裂纹闭合效应。结果表明：３０％△Ｐ以下的小幅载荷叠加在主载荷底部时，对由主载荷引起的裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ几乎没有影响，３０％△Ｐ以上的小幅载荷可使裂纹扩展速率增加。叠加在主载荷顶部的各小幅载荷均可使裂纹扩展速率加大。通过对加载条件下裂纹闭合效应的测量，并结合裂尖的应力应变状态的变化进行分析认为：小幅载荷对裂纹扩展速率的影响受裂纹闭合程度的制约，其损伤作用只体现在裂尖材料产生不可逆塑性形变的外加载荷范围内。

3Al_2O_3·2SiO_(2f)/ZL109复合材料和ZL109合金的高温低周疲劳行为

探索了莫来石结构硅酸铝短纤维增强的ZL109复合材料(MMC)和ZL109合金在573K的高温低周疲劳行为.研究发现:在同样的断裂循环周次下,前者的疲劳抗力低于后者.观察表明:MMC与ZL109的疲劳断口上都存在着大量韧窝,ZL109的断口上有少量的硅相解理,MMC断口上有纤维断裂和脱粘的现象.没有观察到疲劳辉纹.两者的疲劳断裂机制都是微孔在第二相(硅相、纤维和析出相)与基体的界面形核,然后长大并连接.

GH4049镍基高温合金疲劳-蠕变行为及形变结构研究

研究了GH4049镍基高温合金在700℃．±0．45％应变控制条件下的疲劳－蠕变行为，发现合金在循环初始阶段是硬化趋势，随后呈软化趋势，利用透射电镜观察了合金在疲劳－蠕变不同阶段的形变结构，利用会聚束电子衍射技术研究了合金γ／γ’相错配度在疲劳－蠕变中的变化规律，结果表明．γ／γ’相的共格性在形变过程中未受到损失，均匀形变区内，基体位错密度迅速增加，导致合金循环形变初始硬化随形变进行，形变带内γ’相也发生形变，γ’相对基体位错运动阻碍作用降低，形成易滑移通道。

镁合金压力充型与凝固过程的研究

研究了镁合金AZ91HP、AM50HP、AM20HP和铝合金AlSigCu3在高压力下的充型与凝固过程，结果表明，镁合金的充型能力比铝合金约低25％～50％；随铝含量的递减，三种镁合金的充型能力依次降低数值模拟结果显示，镁合金在凝固发生之前具有与铝合金相同的充型能力，但凝固发生之后镁合金的流动性急剧下降，其原因是镁合金相变潜热比铝合金低在镁合金压铸工艺过程中，应当选择较高的充型速度，如果工艺参数设计得当。

弹簧钢60Si2Mn脱碳层软化的表征与研究

提出一种表征脱碳层软化的新方法，该方法借助Ｘ射线应力分析技术测量屈服强度在脱碳层深度方向上的分布．对弹簧钢６０Ｓｉ２Ｍｎ的脱碳层的屈服强度、Ｘ射线衍射线半高宽和显微硬度的层深分布作了对比和分析，在此基础上指出利用新方法进行软化表征有助于更深入阐明脱碳影响疲劳强度的机制，并有望建立某些定量关系．

铸造Ni基高温合金K417的高温低周疲劳行为

研究了铸造Ｎｉ基高温合金Ｋ４１７在６５０—９００℃温度范围内总应变控制条件下的低周疲劳性能和断裂行为．对应变－寿命数据和循环应力－应变数据进行了分析，进而给出了Ｋ４１７合金在不同实验温度下的应变疲劳参数．合金在循环形变过程中可表现为循环硬化、循环软化或循环稳定，而具体呈现何种循环应力响应行为则主要取决于实验温度和外加总应变幅．疲劳试样断日表面的扫描电子显微分析结果表明，疲劳裂纹通常萌生于铸造缺陷处。

微型拉伸试样的设计及其在高性能管线钢研究中的应用

设计了一种微型拉伸试样，用结构均匀的材料X60钢测试了微型拉伸试样的拉伸强度的可靠性,发现试样尺寸对拉伸强度的影响很小，微型试样测量值与标准试样的差别不大，可以用微型试样测量Gleeble样品的强度，在高性能管线钢的研究中发现，微型拉伸试样的强度值和显微硬度值缺少一一对应关系，有必要做微型试样的拉伸试验。