2D C/SiC复合材料在1300°C水氧环境下的疲劳行为研究

采用应力比为0.1,频率为3Hz的正弦波分别在室温和1300°C水氧环境对2D C/SiC复合材料进行了拉-拉疲劳试验.结果表明,若取循环基数为105,窒温和高温水氧环境下的疲劳极限分别为244.8MPa和93.3MPa,高温下的水氧腐蚀是材料失效的主要原因.根据疲劳断口特征分析得出以下结论:在高温水氧环境下,足够大的外载荷将会显著削弱SiO2层的封填裂纹效果,导致氧化性气氛通过外力拉开的微裂纹扩散进入材料内部.外载荷越大,气体在材料内部的扩散越快,复合材料的疲劳寿命越短.     

SiC涂层C/C复合材料在1300℃湿氧环境中的疲劳行为

在半圆柱型氧化模式的基础上,建立了具有SiC涂层C/C复合材料在湿氧环境中的疲劳失效模型。在高温湿氧环境下,C/C复合材料的疲劳失效主要受到氧化深度的控制,而影响氧化深度的主要参数是涂层表面裂纹的宽度。对此疲劳失效模型,讨论分析实验温度以及外加应力对裂纹宽度的影响,考虑了疲劳载荷引起的材料模量变化对裂纹宽度的影响。在 90、105、120、135和150 MPa疲劳应力下的材料在1300℃ 湿氧环境中的平均寿命分别为48660、32645、22078、12332和4786循环。进行了实验数据与模型计算值的对比,实测寿命与预测结果吻合良好。另外,本模型在外加应力较大、实验时间较短条件下的预测数据与实验结果最为接近。     

(Al2O3)f/Al复合材料在强界面结合下的疲劳损伤模式

在拉-拉载荷下测定了(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线。通过夭折试验以及SEM疲劳断口和纵截面组织结构分析,研究了复合材料的疲劳损伤模式。研究结果表明,(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳极限为750MPa,远高于SCS-6碳化硅纤维增强钛基复合材料。该复合材料兼有钛基和树脂基纤维复合材料疲劳损伤的特点,高应力下由单个裂纹的起源和生长导致复合材料的失效;低应力下,疲劳损伤模式包括纤维劈裂、众多基体裂纹和单个基体裂纹的横向扩展。其中纤维劈裂是主控机制。其更高的疲劳极限可归因于低应力下纤维的纵向劈裂。     

金属铍材室温平面应变断裂韧性测试方法

介绍了金属铍材的室温断裂韧性测试方法,并对不同方法进行了讨论,认为采用载荷比（Pmin/Pmax)为－3的拉－压疲劳循环加载方式,可以制备出脆性金属铍材KIC测试所需要的疲劳裂纹,所测试的铍材室温断裂韧性KIC均值为9．91MPa.m^1/2,标准偏差为0．73MPa.m^1/2,符合国家标准要求。     

三维机织复合材料在拉压循环载荷下的疲劳性能

为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能,对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下,分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明,在拉伸-压缩循环载荷下,三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段,分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线,可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性,双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

陶瓷基复合材料疲劳特性的研究

应用相变增韧、相变-晶须复合及相变-颗粒复合三种方式来改善氧化铝陶瓷的力学性能,研究了陶瓷基复合材料的疲劳特性。 在循环压缩载荷作用下,陶瓷材料的应力集中处(如缺口)会产生垂直于压应力轴的疲劳裂纹,随循环周次的增加,裂纹的扩展由快到慢,最终完全停止。循环压缩疲劳裂纹的形成机理是较大的应力集中使材料内出现以微裂纹为主要形式的不可逆损伤,在随后的卸载过程中,不可逆损伤区产生很高的残余拉应力,使疲劳裂纹形核并逐渐扩展。 陶瓷材料在四点弯曲循环载荷作用下,疲劳裂纹具有较长的亚临界扩展过程。裂纹护展速率与循环载荷的最大应力强度因子K_(max)及应力强度因子幅度△K都有关,且随载荷频率的降低及载荷波形由三角波变为正弦波,裂纹扩展速率增加。陶瓷材料四点弯曲疲劳裂纹的亚临界扩展是材料内损伤逐渐累积的结果。疲劳过程中材料通过形成微裂纹及裂纹分叉、克服增强物的阻碍及裂纹表面的桥接与互锁作用、产生裂尖微区内的塑性变形及部分稳定ZrO_2的相变等方式来消耗能量,在材料内造成以微裂纹为主要形式的微观损伤,从而弱化了材料,使疲劳裂纹得以亚临界扩展。 陶瓷材料在1050℃高温下的强度约为其室温强度的一半。陶瓷材料的高温循环疲劳是高温静载效应与循环载荷效应的迭加,1050℃下,循     

石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的疲劳特性

石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料具有比强度高、比刚度大、结构可设计性等很多优点,将在武器装备结构件领域广泛应用。对石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的室温及高温拉伸性能进行了研究;对石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的室温及高温拉-拉疲劳特性进行了研究。结果表明,复合材料的拉伸强度及弹性模量随着测试温度的升高而降低,并且在300℃时保留率分别是68%和80%。在相同应力水平下,复合材料的室温疲劳寿命比高温疲劳寿命高。在高温下,由于树脂软化,复合材料的经纱裂纹减缓。通过疲劳断裂的断口形貌和疲劳寿命变化,对复合材料损伤机制进行评估。     

弯曲疲劳后4D-C/C复合材料的抗弯强度及热膨胀性能(英文)

采用液相浸渍炭化技术,在压力为75MPa下制备出4D-C/C复合材料,并进行高温热处理。研究静态和动态加载条件下,材料沿厚度方向的弯曲性能及断裂行为。结果表明,循环次数达到10×105次、频率为10 Hz时,材料的临界弯曲疲劳极限是静态弯曲强度的80%。静态弯曲加载情况下,C/C复合材料失效机制取决于试样底层炭纤维的取向。循环疲劳载荷作用下,其失效机制包括基体开裂、纤维-基体界面弱化及纤维断裂。复合材料在循环加载过程中界面结合强度降低,并释放内应力,故增强了纤维拔出以及复合材料的假塑性,疲劳加载后其剩余弯曲强度增加10%左右,而模量降低。疲劳载荷引起材料基体缺陷和裂纹数量的增加及纤维断裂,削弱了长度方向上的热膨胀,使材料热膨胀系数降低。     

高温热曝露对3D-C/SiC复合材料弯曲性能的影响

3D-C/SiC复合材料试样在空气介质中600℃、900℃和1300℃热曝露不同时间后,采用三点弯曲法测试了以室温弯曲弹性模量表征的损伤变化规律,并进行了SEM和EDS分析.结果表明:3D-C/SiC在热曝露15 h后,损伤变化可分为急剧上升(阶段Ⅰ)和平稳上升(阶段Ⅱ)两个阶段.阶段Ⅰ归因于炭纤维和炭层界面在空气中的直接氧化,阶段Ⅱ由复合材料内部氧的扩散所致.在复合材料制备过程的冷却阶段,因基体和炭纤维热膨胀系数不同所产生的基体微裂纹提供了氧化反应的表面与氧扩散的途径.在同一热曝露时间下,损伤随温度的上升而减少的原由可能是由于高温下裂纹收缩导致氧化表面减少,并降低氧向复合材料内扩散所致.     

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。      

拉压加载下纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应与预测模型

基于增量塑性损伤理论与纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展唯象方法, 推导出在拉-压循环加载下, 纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展速率预测模型。并通过玻璃纤维增强铝合金层板在应力比R=-1,-2的疲劳裂纹扩展实验对预测模型进行验证。结果表明, 纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应分为两种情况: 在有效循环应力比R_C>0时, 表现为压载荷对铝合金层所承受残余拉应力的抵消作用; 当R_C<0时, 表现为压载荷抵消残余拉应力后, 对纤维增强铝合金层板金属层的塑性损伤, 对疲劳裂纹扩展存在促进作用。纤维铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应不可忽略, 本文中得出的在拉-压循环加载下疲劳裂纹扩展速率预测模型与实验结果符合较好。     

循环加载周期对二维C/C复合材料弯曲疲劳强度的影响

采用频率为10 Hz、 应力比为0.1的正弦波研究了室温下循环次数对二维炭毡C/C复合材料(2D炭毡C/C复合材料)的弯曲疲劳强度的影响, 并利用偏光显微镜和扫描电子显微镜对该材料的热解碳组织形貌以及疲劳前后的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明, 2D炭毡C/C复合材料的热解碳结构由光滑层和各向同性层组成, 其疲劳极限为76.5 MPa, 是静态弯曲强度的90%。在不同循环周次的疲劳载荷作用后, 材料的剩余弯曲强度和韧性都得到了提高。在疲劳加载过程中, 纤维/基体的界面结合强度发生弱化, 纤维的协同承载能力得到提高, 使C/C复合材料出现了疲劳强化现象。      

低温与真空条件下1Cr18Ni9Ti钢的疲劳行为

分别在室温大气、室温真空及低温真空几种环境条件下,对1Cr18Ni9Ti钢进行对称载荷拉-压疲劳试验,利用TEM观察疲劳断口附近的显微组织,研究了环境因素对疲劳性能的影响,并对影响的原因进行了分析和讨论.研究表明:1Cr18Ni9Ti钢在低温真空条件下疲劳性能显著提高;疲劳断口附近出现大量板条马氏体;真空与低温显著提高1Cr18Ni9Ti钢疲劳性能的原因与真空对裂纹表面的净化效应,以及低温促进疲劳裂纹前沿形成板条马氏体有关.     

3D-C/SiC复合材料在室温和1300℃的拉-拉疲劳行为

采用应力比为0.1，频率为60Hz的正弦波在室温和1300℃，10^-4Pa真空中对3D－C／SiC复合材料进行了拉－拉疲劳试验。同时用SEM分析了疲劳断口特征。结果表明：若取循环基数为10^6，1300℃疲劳极限为285MPa，约为抗拉强度的94％；室温疲劳极限为235MPa，约为抗拉强度的85％。1300℃疲劳断口的纤维拔出长度比室温短。疲劳损伤主要起源于纤维束编织交叉部位，随着疲劳循环次数的增加，纤维束周围基体的损伤也不断加剧。     

纤维增强复合材料多轴疲劳的实验研究

采用缠绕成型的玻璃纤维增强聚合物基复合材料管型试样,对复合材料在拉扭双轴载荷作用下的多轴疲劳行为进行了实验研究。实验结果表明,复合材料多轴疲劳失效是基体中疲劳损伤累积的结果,最终的失效裂纹通常平行于纤维方向;根据实验中得出的应力应变曲线、疲劳寿命曲线,重点讨论了不同缠绕角复合材料的多轴疲劳寿命随双轴载荷比例、平均应力等因素的变化规律,为今后的多轴疲劳理论研究提供了依据。     

等离子喷涂BSAS环境障涂层性能研究

采用等离子喷涂工艺在SiC陶瓷表面制备了BSAS环境障涂层,分析研究了环境障涂层的微观结构、结合强度、长期抗氧化性能、抗热震性能和抗高温水氧腐蚀性能。结果表明:BSAS环境障涂层的结合强度为29 MPa,内部结构均匀,无贯穿裂纹和连通气孔;涂层热震30次开始有微裂纹,热震50次后出现贯穿裂纹失效;涂层于空气中1 200℃/200 h氧化后增重0.24%,内部氧化不明显;在1 atm、1 200℃、50%H_2O-50%O_2、0.4 m/s高温水氧环境中腐蚀150 h后,涂层保护试样失重0.87 mg/cm2,涂层表面腐蚀厚度小于10μm,无涂层保护的试样失重3.4 mg/cm~2。     

3.5%NaCl腐蚀环境下2种航空铝合金材料疲劳性能试验研究

腐蚀环境下的疲劳性能是航空金属结构疲劳寿命设计的重要前提,为此,试验测定了2种航空铝合金材料（2E12-T3、7050-T7451）的光滑试样和缺口试样在干燥大气和3.5%NaCl腐蚀环境下的疲劳性能,在试验数据的基础上进行性能对比,并对试样断口进行扫描电镜（SEM）分析,研究了3.5%NaCl腐蚀环境与载荷联合作用对腐蚀疲劳性能的影响机理,研究结果表明:3.5%NaCl腐蚀环境对2种铝合金材料的疲劳性能均产生不利影响,且腐蚀与疲劳载荷的交互作用随着应力水平的降低而增强,疲劳性能下降更明显;与光滑试样相比,腐蚀环境对铝合金2E12-T3缺口试样疲劳性能的影响更大,但对铝合金7050-T7451缺口试样疲劳性能的影响却变小;在腐蚀环境下,裂纹尖端易发生电化学反应产生腐蚀产物和[H]离子,腐蚀产物的存在会阻碍裂纹闭合,同时,[H]离子导致裂纹尖端的氢脆效应,加快裂纹扩展,使疲劳性能降低。     

国外材料与测试文摘

20 0 4 113　焊接接头在30 0℃下的疲劳裂纹扩展特性[英]./AkihikoOhta ,etal.JournalofPressureVesselTechnology ,2 0 0 3,12 5 :131.对锅炉和压力容器用钢的焊接接头在高温下的疲劳裂纹扩展特性作了试验研究。采用带纵向缺口的中心裂纹试样在一特制的加热炉中试验,当热应力降低到- 1MPa时,焊接接头在30 0℃时的疲劳裂纹扩展特性和在室温下时相似。焊接接头中的拉伸残余应力在焊后为+15 2MPa ,经焊后热处理后为+12MPa。焊接接头在焊后状态、焊后热处理后以及相应母材的疲劳裂纹扩展门槛值分别为2 .7MN·m- 3/2 ,5 .1MN·m- 3/2 和7…     

层状Ti3SiC2陶瓷的组织结构及力学性能

利用热压烧结TiH₂,Si和C粉获得了致密度大于98%的层状Ti₃SiC₂陶瓷。利用压痕法,在不同的载荷下测定了材料的维氏硬度, 发现其硬度值随载荷的增加而降低,在最大载荷30kg时,硬度值为4GPa。压痕对角线没有发现径向裂纹的出现。 这归因于多重能量吸收机制——颗粒的层裂、裂纹的扩展、颗粒的变形等。利用三点弯曲法和单边切口梁法测定了材料的强度和韧性分别为270MPa和6.8MPa·m1/2。Ti₃SiC₂材料的断口表现出明显的层状性质,大颗粒易于发生层裂和穿晶断裂,小颗粒易被拔出。当裂纹沿平行于Ti₃SiC₂基面的方向扩展造成颗粒的层裂,当裂纹沿垂直于基面的方向扩展时,裂纹穿过颗粒的同时,在颗粒内部发生偏转,使裂纹的扩展路径增加。裂纹的扩展路径类似人们根据仿生结构设计的层状复合材料。裂纹在颗粒内的多次偏转、裂纹钉扎以及颗粒的层裂和拔出等是材料韧性提高的主要原因。此外,在室温下得到的荷载-位移曲线,说明Ti₃SiC₂材料不象其它陶瓷材料的脆性断裂,而是具有金属一样的塑性。