DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2000.02.002

Al₂O_3sf/ZL109复合材料的热疲劳短裂纹的扩展行为

徐文娟 吴申庆

东南大学材料科学与工程系!南京210096

摘 要：

在室温至 2 80℃间热循环条件下 , 研究了体积百分含量 1 8%的氧化铝短纤维增强ZL1 0 9铝 硅合金复合材料和基体ZL1 0 9铝 硅合金的热疲劳短裂纹扩展行为 , 并且探讨了复合材料热疲劳裂纹的形成机制和扩展过程。研究结果显示 , 短裂纹扩展阶段 , 热疲劳裂纹与增强体纤维有明显的交互作用 ;但复合材料的热疲劳短裂纹扩展速率比基体合金的大。加强基体与纤维的界面结合 , 提高纤维质量 , 可望提高复合材料的热疲劳裂纹扩展抗力

关键词：

热疲劳;裂纹扩展;复合材料;基体合金;

中图分类号： TB33

收稿日期：1999-06-14

Short thermal fatigue crack growth of Al₂O_3sf/ZL109 composites

Abstract：

Thermal fatigue crack propagation behavior of alumina short fibre (V f=18%) reinforced aluminum silicon alloy composite and aluminum silicon matrix alloy have been investigated under thermal cycling condition between room temperature and 280 ℃, the initiation of thermal fatigue crack have been discussed. The results show that in the range of short crack, the fibres play an important role in thermal fatigue cracking, but the crack propagation rate of composites is much larger than that of the matrix alloy. Also, strengthening fibre/matrix interface and improving fibre quality are considered to improve resistance to thermal fatigue crack of composites.

Keyword：

thermal fatigue; crack propagation; composites; matrix alloy;

Received： 1999-06-14

金属基复合材料 (MMCs) 由于其优良的力学性能、 耐热性及耐磨性, 在航天、 国防以及汽车工业应用前景看好。 将增强体加入塑性基体, 可提高材料的强度和刚度, 然而大多数复合材料的容损性能, 如断裂韧性、 抗疲劳性等却可能下降 ^[1,2,3] , 而这些性能对于零件的设计和可靠性是非常重要的 ^[1] 。 热疲劳属于低周疲劳, 材料的热疲劳寿命是汽车发动机零部件的重要参数 ^[4] 。 迄今有关MMCs的疲劳裂纹扩展研究大多只涉及高周疲劳 ^{[1,5,6,7,8,9]} , 而低周疲劳, 特别是热疲劳裂纹扩展报导却很少。 本工作选用氧化铝短纤维增强铝-硅合金复合材料, 进行热应力疲劳实验, 跟踪裂纹扩展途径, 研究其热疲劳短裂纹扩展行为与机理。

1 实验方法

实验材料的基体为ZL109铝合金, 它和氧化铝短纤维的物理性能参数如表1所示 ^[9] 。 氧化铝短纤维的直径为5~9 μm, 长度为0.1~0.2 mm。 复合材料采用液态金属渗透工艺 (挤压铸造法) 制备, 经T6时效处理, 纤维体积百分含量φ取0% (基体合金) 和18% (复合材料) 。

实验采用d20 mm×3 mm圆盘试样, 并沿圆周180 ?对称开深2 mm的夏氏V型缺口, 用于研究热疲劳裂纹的扩展行为。 试验循环加热设备为2 kW管式电炉; 采用20 ℃水冷却。 为了缩短热疲劳裂纹孕育时间, 初始循环温度范围为室温至350 ℃, 随后循环温度范围缩短到室温至280 ℃。 热循环周期为5 min/cycle (加热速率65 ℃/min, 冷却速率260 ℃/min) 。 采用Leitz型金相显微镜 (×100) 测量热疲劳裂纹长度, 用Olypus金相显微镜和JSM-6300扫描电镜观察裂纹形貌。

2 实验结果

2.1 热疲劳裂纹扩展曲线

本实验采用表面直读法。 从实验测得的热疲劳扩展曲线 (图1) 可以看出, 复合材料样品裂纹扩展速率明显大于基体合金。 在初始循环温度范围大时, 裂纹扩展速率大; 而随后的循环温度范围缩小, 裂纹扩展速率明显下降; 随着循环进行, 裂纹扩展速率变化趋于平缓。

2.2 热疲劳裂纹扩展形貌

实验中拍摄裂纹的形成与扩展过程, 如图2所

表1 基体合金与氧化铝短纤维的物理性能参数

Table 1 Physical parameters of matrix alloy and fibre

Material	E/GPa		μ	Ultimate σt/GPa		ρ/ (g·cm-3)
ZL109	70		0.33	0.25		2.7
Al2O3sf	300		0.24	2.0		3.2
Melting temperature/K		Coefficient of thermal expansion α/ (10-6·K-1)			Thermal conductivity λ / (W·m-1·K-1)
850		23.6			~180
1 600		7.7			~100

图1 热疲劳裂纹扩展曲线

Fig.1 Thermal fatigue crack propagation curves

图2 热疲劳裂纹起始与扩展金相观察

Fig.2 Micrographs of thermal fatigue crack initiation and propagation under thermal cycling condition between room temperature and 280 ℃ (a) —0 Cycle; (b) —100 Cycles; (c) —200 Cycles of sample ZL109; (d) —0 Cycle; (e) —100 Cycles; (f) —200 Cycles of sample 18%Al₂O_3sf/ZL109

示, 可看到热疲劳裂纹均起始于V型缺口尖端部位, 进而向前扩展。 在热应力疲劳条件下, 复合材料样品的裂纹以单一主裂纹形式扩展, 而基体合金样品, 裂纹扩展中有分叉特征。 从图2还可看出, 热疲劳裂纹择优沿纤维密集区扩展。

扫描电子显微镜观察了600次热循环后的裂纹形貌, 如图3所示。 可以清晰地看到两种样品裂纹起始均穿过基体组织中的共晶Si相。 从图3还可看到, 复合材料样品裂纹在扩展途中, 伴随有纤维与基体的界面剥离和纤维破断现象, 裂纹扩展区域无变形迹象。 而基体合金样品, 裂纹扩展区域与样品表面错动变形明显。

3 讨论与分析

3.1 热疲劳裂纹的形成

复合材料是热力学非平衡体系, 从表1可以看到, 氧化铝短纤维与ZL109铝合金的热膨胀系数相差约16.0×10^-6?K^-1。 在室温至280 ℃热循环中, 热应变可达0.004, 足以引起材料局部塑性变形。 热循环过程中, 基体的热应力状态由残余拉应力→压应力→拉应力循环变化 ^[9] , 在基体和界面上造成了累积塑性应变损伤。 同时在热循环条件下, 材料中最大拉应力产生于循环上限温度试样周边的缺口根部, 因而热疲劳裂纹易形成于缺口尖端的基体相中。 基体ZL109铝合金由α-Al与共晶Si两个基本相组成, 在热疲劳条件下, 共晶硅相具有较大的应力集中, 且抗应变能力差, 创造了裂纹起始的条件。 铝属于波状滑移材料, 在循环应变下, 不均匀滑移在表面可能形成的薄挤出物——缺口峰, 也会为裂纹提供形核部位。

比较两种样品的裂纹形貌特征 (参见图3) , 基体合金存在上述两种裂纹形成机制, 而本工作研究的复合材料, 由于纤维含量较高, 抑制了滑移, 阻碍了缺口峰形成机制。

3.2 热疲劳裂纹的扩展

热疲劳属于高温低周疲劳, 是应变疲劳过程。 Manson和Coffin 提出了适用于应变疲劳的Manson-Coffin 关系式: Δε_pN^b_f=C, 式中 N_f为应变疲劳寿命, Δε_p为塑性应变幅值, b和C为常数。上式说明材料的塑性是应变疲劳过程的控制因素。 复合材料纤维含量增大, 可提高强度, 但同时会降低塑性。 热应力疲劳是应力不对称的高温低周应变疲劳, 其寿命影响因素更多, 热循环温度范围ΔT是其重要影响因素。 ΔT的降低, 减小了热循环应力大小, 从而降低了裂纹扩展速率。

本实验涉及的是短裂纹扩展阶段, 短裂纹一般与增强体有明显的交互作用 ^[6,7] 。 从图2, 3可以看到, 裂纹易穿过纤维端部、 纤维密集区等应力集中区域, 从而诱导基体产生塑性变形。 基体和增强体纤维力学性能差异显著, 两者的变形会存在明显的不协调性。 热疲劳实验中, 复合材料体系处于热应力松弛与产生交替变化过程, 形成了复杂的疲劳条件。 如果纤维断裂强度大于纤维/基体界面结合强

图3 热疲劳裂纹形貌SEM观察

Fig.3 SEM micrographs of thermal fatigue crack morphology of ZL109 (a) and 18%Al₂O_3sf/ZL109 (b) after 600 cycles under thermal cycling condition between room temperature and 280 ℃

图4 热疲劳裂纹与氧化铝短纤维交互作用

Fig.4 Mutual effects of thermal crack and alumina short fibre

度, 热疲劳裂纹将以界面剥离形式穿过纤维区域; 反之, 则以纤维破断形式通过。 复合材料微观上是非均匀体系, 因此热疲劳实验中裂纹与纤维作用的两种模式均存在 (图4) 。 基体合金体系, 没有纤维外渗入体, 应力集中区域会明显少于复合材料, 不存在基体与纤维变形的明显不协调性, 因而同等条件下, 基体合金的裂纹扩展速率小于复合材料的。 但同时应该看到热疲劳裂纹与纤维增强体的强烈相互作用, 将会不同程度地降低裂纹尖端的应力场大小, 从而对裂纹的进一步扩展产生抑制作用。 因而加强基体与纤维的界面结合, 提高纤维质量, 可望提高复合材料的热疲劳裂纹扩展抗力。

参考文献

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