SiC单纤维增强TC17复合材料横向拉伸性能研究

采用单纤维十字架结构试样测试分析了SiC纤维增强TC17复合材料横向力学性能,利用SEM对拉伸断口及横切面进行了显微观察,分析了界面失效位置,并结合有限元数值模拟计算,研究了界面损伤失效机制及裂纹扩展规律。结果表明,在横向载荷的作用下,单纤维试样应力-应变曲线的非线性拐点应力为(271±12) MPa,该点是界面完全失效的起始点。基于双线性内聚力模型的有限元分析结果与实验结果一致,表明复合材料界面失效模式为剪切失效,裂纹萌生于反应层和碳涂层的界面。有限元分析预测的裂纹萌生位置在与加载方向成40°～50°的圆周之间,实验中不同最大载荷下裂纹出现在与拉伸方向成24°～68°之间不同位置,预测宽度略小于实验结果,这种差异的主要原因是有限元模拟中界面设定为理想刚性界面且沿周向一致,而实际碳涂层和反应层的界面是非光滑的,沿圆周存在微缺陷。裂纹萌生后,在剪切应力作用下沿轴向和周向同时扩展,在沿周向扩展过程中,0°附近界面在径向拉伸应力作用下先于90°附近界面失效,随后90°附近界面在周向剪切应力作用下失效。界面完全失效后,应力重新分配,随载荷增加,界面张开程度加大,基体局部出现屈服,直至材料完全断裂。     

Fatigue Behavior and Damage Evolution of SiC Fiberreinforced Ti-6Al-4V Alloy Matrix Composites

研究SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti-6Al-4V)室温疲劳行为和损伤演化机制。疲劳试验条件:载荷控制、应力比0.1和加载频率10 Hz。采用疲劳断裂试验建立最大加载应力为600~1200 MPa内SiCf/Ti-6Al-4V的S-N曲线。采用疲劳中止试验以及SEM显微分析研究应力水平对SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤演化的影响。结果表明,SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤萌生模式与演化过程与应力水平密切相关。在高应力水平(Smax=1000 MPa),纤维开裂是主要损伤萌生模式。一旦2或3根纤维断裂后,纤维裂纹和基体裂纹开始联接并形成宏观扩展裂纹。在中等应力水平(Smax=800 MPa),基体裂纹萌生与扩展是主要损伤模式。多条基体裂纹萌生于试样外表面棱边和离外表面附近试样内部开裂的纤维基体界面处。基体裂纹均沿垂直于加载方向扩展,且大部分纤维未断裂并纤维桥接基体裂纹。在低应力水平(Smax=600 MPa),仅在C涂层和界面反应层之间和C涂层内部观察到局部界面脱粘现象。     

SiC纤维增强Ti-6Al-4V复合材料的疲劳行为及损伤演化研究（英文）

研究SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti-6Al-4V)室温疲劳行为和损伤演化机制。疲劳试验条件:载荷控制、应力比0.1和加载频率10 Hz。采用疲劳断裂试验建立最大加载应力为600~1200 MPa内SiCf/Ti-6Al-4V的S-N曲线。采用疲劳中止试验以及SEM显微分析研究应力水平对SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤演化的影响。结果表明,SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤萌生模式与演化过程与应力水平密切相关。在高应力水平(Smax=1000 MPa),纤维开裂是主要损伤萌生模式。一旦2或3根纤维断裂后,纤维裂纹和基体裂纹开始联接并形成宏观扩展裂纹。在中等应力水平(Smax=800 MPa),基体裂纹萌生与扩展是主要损伤模式。多条基体裂纹萌生于试样外表面棱边和离外表面附近试样内部开裂的纤维基体界面处。基体裂纹均沿垂直于加载方向扩展,且大部分纤维未断裂并纤维桥接基体裂纹。在低应力水平(Smax=600 MPa),仅在C涂层和界面反应层之间和C涂层内部观察到局部界面脱粘现象。     

纤维增强钛基复合材料界面剪切强度的FEM分析

用薄试样push-out和push-back试验测试了SCS－6／Timetal 834复合材料从室温到530℃温度范围内的峰值载荷和滑动摩擦切应力。用轴对称圆柱有限元模型模拟计算了SiC纤维增强钛基复合材料不同温度下的界面应力沿轴向分布规律和界面脱粘过程。计算表明，push-out试验的界面脱粘过程可以用剪切强度准则描述，对于SCS－6／Timetal834复合材料。当界面单元尺寸L＝6.25μm时，其室温下界面剪切强度τm=500MPa,300℃时τm＝300MPa，530℃时τm＝140MPa。由于应力奇异性的影响，界面剪切强度的值与单元尺寸大小有关。     

用十字形试样评定钛基复合材料界面法向结合强度(英文)

采用单向耦合的有限元方法预测钛基复合材料界面法向结合强度以及十字形试样内的应力分布。有限元模拟共包括两步：复合材料冷却过程和横向拉伸过程。详细分析了界面杨氏模量和残余热应力对界面径向应力分布的影响,并评定得出SiC／Ti-6Al-4V界面法向结合强度为300MPa。     

钛基 / TiN 涂层接触应力有限元分析

目的研究在接触载荷作用下,钛基/TiN涂层的应力变化规律。方法利用ABAQUS软件建立可靠有限元模型,分析涂层厚度不同的钛基/TiN涂层系统在球压头作用下的接触应力。结果钛基/TiN涂层系统最大Mises应力出现在距表面约0.4a(a为接触半径)处的亚表层或者亚表层附近的界面处。在接触应力和弯曲应力作用下,涂层弯曲变形会影响涂层的径向应力和剪应力分布。结论在接触载荷作用下,涂层内存在接触应力和自身弯曲两种应力作用。分析结果有利于理解钛基Ti N涂层的失效机理。     

评定钛基复合材料界面强度的新方法

从微区角度建立了评定界面剪切强度的理论公式,用有限元方法验证该公式的准确性.此外,分析了钛基复合材料底部脱粘现象的原因以及热残余应力对纤维顶出最大载荷的影响.     

Effects of Fiber Volume Fraction on Transverse Tensile Properties of SiC/Ti-6Al-4V Composites

采用有限元法分析了在残余应力和外加横向载荷作用下纤维体积分数对SiC/Ti-6Al-4V复合材料横向拉伸行为的影响。通过弹簧连接纤维与基体界面的重合节点来模拟界面脱粘。结果表明,在界面结合强度一定时,界面脱粘应力(对应于应力-应变曲线上应变的跳跃)受0°方向界面径向残余应力影响较大;在界面脱粘先于基体屈服时,复合材料失效应力(对应于应力-应变曲线上的水平部分)主要取决于纤维体积分数,且体积分数越低,失效应力越高。     

C_f/Al复合材料横向拉伸微观损伤与力学性能的有限元分析

根据石墨纤维增强铝基复合材料(C_f/Al基复合材料)显微组织特征构建了其代表性体积单元(RVE),通过基体合金的延性损伤模型和纤维的最大应力失效模型,建立了基于内聚力界面模型的细观力学有限元模型并结合试验结果验证了其可靠性,在此基础上分析了纤维含量对复合材料横向拉伸损伤演化与力学行为的影响。结果表明,基于正六边形纤维排布RVE建立的细观力学模型能够准确预测复合材料横向拉伸力学性能。横向拉伸过程中首先发生界面损伤,随应变增加界面损伤累积,引起局部界面失效并诱发附近基体合金的损伤与失效,最终导致复合材料横向开裂,拉伸断口呈现界面脱粘和基体合金撕裂共存的微观形貌。提高纤维含量增加了界面数量和面积,从而降低了复合材料横向拉伸弹性模量和极限强度。     

横向压缩载荷下CF/Al复合材料微观损伤演化与断裂力学行为

针对真空压力浸渗制备的单向碳纤维增强铝基复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟和实验相结合的手段研究了其在横向压缩载荷下的损伤演化与断裂力学行为,并分析了界面结合性能和纤维体积分数对复合材料横向压缩力学性能的影响。结果表明:基于纤维对角正方形分布RVE建立的细观力学有限元模型,可以较好地计算预测复合材料横向压缩变形力学行为。压缩变形初期界面首先发生损伤和失效现象,进而诱发界面附近基体合金的局部损伤;随压缩应变增加,界面和基体损伤逐渐发展并导致纤维的失效,复合材料横向压缩断口呈现出界面脱粘和纤维断裂共存的微观形貌。复合材料横向压缩弹性模量和极限强度随着界面强度增大而增大,而受界面刚度的影响较小;在相同界面性能条件下,复合材料横向压缩极限强度和弹性模量均随纤维体积分数的增大而减小。     

钛合金表面激光熔化沉积钛基复合材料涂层的组织及性能

通过激光熔化沉积TA15+30%TiC(体积分数)混合粉末,在TA15钛合金表面制备出钛基复合材料涂层,分析了涂层的组织、硬度及界面结合强度。结果表明,激光熔化沉积过程中原始TiC颗粒发生溶解,并在凝固过程中重新析出细小的TiC,TiC有等轴状及枝晶两种形态,涂层中存在部分未熔的TiC颗粒;涂层硬度达HRC 60;涂层与基体界面为完全冶金结合,涂层的界面结合强度大于310 MPa,抗剪切强度为330 MPa;经弯曲及热震试验后,涂层未出现剥落现象,表明涂层与基体具有很好的相容性     

镀铜/镍烧结钕铁硼永磁体与DP1180钢钎焊接头的组织与性能

采用Zn-6Sn-5Bi钎料对镀Cu/Ni的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢进行钎焊连接,对比分析了2种镀层条件下钎焊接头的微观组织和力学性能。结果表明,对于镀Cu的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢的钎焊接头,Cu在钎料中扩散并与Zn、Fe反应生成脆性金属间化合物,导致钎缝中出现裂纹和孔洞。与无镀层时的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢的钎焊接头相比,接头的剪切强度由61.9 MPa降低至52.3 MPa;对于镀Ni的烧结NdFeB永磁体和DP1180钢的钎焊接头,Ni集中分布在NdFeB一侧的界面处,并且由于Sn和Bi的扩散形成了不同的扩散层,其剪切强度提高至78.1 MPa。     

预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊接头界面组织及力学性能分析

钛合金板坡口位置预先热浸镀纯铝镀层,采用TIG电弧熔钎焊的方法连接镀层钛合金与铝合金,对比分析了有镀层和无镀层条件下形成的接头界面组织及焊缝强度.结果表明,两种条件下界面处生成相同成分的金属间化合物TiAl₃,其中无镀层条件下Ti/Al界面反应层呈锯齿状,厚度4~6 μm,焊缝平均拉伸强度118 MPa,以脆性断裂为主;镀层条件下界面生成均匀稳定金属间化合物,厚度2 μm以下,焊缝平均拉伸强度205 MPa,以韧性断裂为主.镀层的引入减薄了金属间化合物反应层厚度,从根本上改变了接头的断裂的方式.     

低压浸渗法制备Gr（C）／Mg复合材料

对用低压浸渗法制备石墨（碳）长纤维镁基复合材料进行了研究。结果表明，制备工艺条件对复合状况、界面反应及复合材料性能均有明显影响。通过纤维表面ＳｉＯ２涂层处理和优化浸渗工艺，可成功地制备出高性能的复合材料，拉伸断裂强度可达５０９ＭＰａ，模量亦可达１４２ＧＰａ。     

C/CF/Cu复合材料界面和抗拉强度研究

采用树脂碳化方法制备了碳/碳纤维(C/CF)先驱丝,用压力浸渗凝固成型方法制备了碳/碳纤维/铜(C/CF/Cu)复合材料,借助抗拉强度测试及扫描电镜下复合材料界面和相组成物分布观察,探讨了C、CF和Cu三组元复合界面特性以及碳纤维丝类型和C/CF先驱丝体积分数对C/CF/Cu复合材料抗拉强度的影响.结果表明,C/CF/Cu复合材料的微观界面是碳纤维单丝-树脂碳化碳-铜双复合界面,此界面属于无化学反应的弱复合界面,铜对C/CF先驱丝的机械锁紧力是提高界面强度和复合材料强度的关键因素.当凝固成型压力为28.5MPa时,1k碳纤维丝的C/CF先驱丝体积分数为25%和3k碳纤维丝的C/CF先驱丝体积分数为44.7%的复合材料的抗拉强度达到较高值,分别为595MPa和587MPa,均为纯铜抗拉强度的3倍以上.3k丝制成的一次C/CF先驱丝内碳纤维丝的数量较多,影响复合材料的界面强度,而选用1k碳纤维丝比较有利.     

Effect of nickel coating on the shear strength of FSW lap joint between Ni–Cu alloy and steel

Cu–Ni alloy and low-carbon steel were joined by friction stir lap welding (FSLW) with the help of a nickel coating. The appropriate welding parameters were investigated and the lap joints were analyzed using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and shear strength testing. The shear strength of joints with a nickel coating was about 2.9 times as high as that of the joints without Ni coating. According to the EDS analysis of the fractured surfaces under the shear strength test, the micro-voids occurred in the Cu–Ni/steel interface without Ni coating, thus reducing the shear strength. These micro-voids were reduced in size using a nickel coating due to the self-diffusion in the Ni/Ni interface at high interface temperature and high contact pressure. The strong bonding mechanism using a nickel coating could be explained by the iron and copper atoms diffusing into the coating through the interface at high interface temperature and holding time.     

铝基厚梯度热障涂层制备工艺及性能研究

采用单一等离子喷涂法和超音速火焰喷涂与等离子喷涂复合喷涂法在铝质LY12基体上制蔷了总厚度分别为0.6mm、10mm和2．0mm的梯度热障涂层，并对基体界面处的涂层显微结构特征进行了金相组织和扫描电镜(SEM)观察，试验结果表明，采用复合喷涂法制备的2mm厚梯度热障涂层其抗拉强度得到显著提高．达到36MPa．其主要原因是采甩JP5000喷涂粘结底层很好的改善了铝基体与游层之间的界面结合强度。基体界面结合强度高低与两者的紧密接触程度有关。     

Tensile strength of plasma-sprayed alumina and/or zirconia coatings on titanium

The heat treatment effect on the characteristics and tensile strength of plasma-sprayed alumina, yttria-stabilized zirconia (YSZ), and mixtures of alumina and YSZ coatings on titanium was investigated. The as-sprayed structures of alumina and YSZ coatings consists of a and y alumina phases, and cubic and tetragonal zirconia phases, respectively. The tensile strength of the coatings containing a large amount of YSZ is increased from 25 to 50 MPa by heat treatment at 800 °C. The 60% YSZ-AI₂O₃ coating showed the highest tensile strength. The tensile strength increase of the YSZ-containing coating by heat treatment is caused by formation of 10 to 100 nm wide microcracks. The interface adhesion strength between the heat-treated titanium substrate and the alumina-containing coating is increased by chemical reaction at the in-terface. Thus, a heat-treated alumina and zirconia mixture coating may be favorable in obtaining high tensile strength due to microcrack formation in the coating and the chemical reaction at the interface. During this work, S. Baba was a graduate student at Kyushu Institute of Technology, Sumitomo Metal Ind. Ltd., Osaka, Japan.     

Q345R板材表面冷喷涂Al-Zn涂层的组织及性能研究

目的 研究添加元素Zn含量的变化对涂层的显微组织、孔隙率、硬度及涂层-基体间界面结合强度等的影响规律.方法 采用冷喷涂技术在Q345R板材表面制备性能优良的纯Al和Al-Zn复合涂层,通过扫描电子显微镜对涂层的形貌进行分析,通过维氏显微硬度计对涂层的力学性能进行表征,并揭示涂层与基体间的界面结合机理.结果 冷喷涂纯Al和Al-Zn复合涂层与Q345R钢基体的结合良好,界面处无明显的孔洞及裂纹.随着Zn含量的增加,复合涂层的致密度、硬度逐渐提高;纯Al和Al-20wt.％Zn复合涂层的界面结合强度相当,且失效断裂形式为典型的界面粘结断裂.随着添加元素Zn含量的增加,涂层与基体间的界面结合强度逐渐增大,Al-40wt.％Zn涂层的结合强度为35 MPa,且断裂方式由界面粘着断裂转变为以界面粘着断裂为主、涂层内部粘聚断裂为辅的复合失效模式.结论 以低温固态沉积为特点的冷喷涂技术可有效避免氧化、相变、热裂等高温导致的不利影响,在沉积过程中,随着添加元素Zn含量的增加,对涂层的夯实作用不断加强,提高了涂层的致密性,从而使涂层的力学性能得到改善.     

碳化硅复合材料与碳钢钎焊接头的抗剪强度及微观结构

采用磁控溅射镀膜技术对碳/碳化硅复合材料(C/SiC)表面进行镀Ti金属化，以AgCu₂₈为钎料，无氧铜为中间层与碳钢进行钎焊连接. 研究无氧铜中间层、Ti膜厚度和钎焊温度对接头组织形貌和力学性能的影响. 结果表明，采用无氧铜中间层可有效降低接头的残余应力，提高接头强度，并阻挡C/SiC复合材料中的Si元素在钎焊过程中扩散至碳钢侧，防止了碳钢界面FeSi_x恶性反应层的形成. 在试验范围内，钛膜厚度和钎焊温度与接头抗剪强度之间均存在峰值关系. 860 ℃，3 μm Ti膜接头平均抗剪强度最高，达到25.5 MPa. 由剪切试样碳钢侧断口，可观察到大量平行断口方向的碳纤维和碳纤维脱粘坑. 断裂发生在C/SiC复合材料内部距界面约300 μm处. C/SiC界面反应产物以Ti₅Si₃为主，含少量TiC. 钎缝中有TiCuSi相生成.