【摘 要】
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颗粒增强金属基复合材料由于具有较高的比强度、比模量和耐磨损等性能,因而在航空、航天和汽车工业等领域中具有广阔的应用前景。已有制备颗粒增强金属基复合材料的工艺有数十种以上,但能同时获得较高强度、韧性和界面结合性的却很少。采取优化制备工艺,合理控制增强颗粒相诸多特征如体积分数、尺寸和分布等,是获得颗粒增强金属基复合材料优越力学性能的重要研究方向。此外,随着结构零部件在实际工程应用中承受载荷的复杂化和多
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颗粒增强金属基复合材料由于具有较高的比强度、比模量和耐磨损等性能,因而在航空、航天和汽车工业等领域中具有广阔的应用前景。已有制备颗粒增强金属基复合材料的工艺有数十种以上,但能同时获得较高强度、韧性和界面结合性的却很少。采取优化制备工艺,合理控制增强颗粒相诸多特征如体积分数、尺寸和分布等,是获得颗粒增强金属基复合材料优越力学性能的重要研究方向。此外,随着结构零部件在实际工程应用中承受载荷的复杂化和多样化,有必要从多尺度理解颗粒增强金属基复合材料的损伤演化规律,揭示其内在具有力学和材料学含义的损伤机理。为此,本文采用共晶凝固工艺制备了一种以Ti B2颗粒增强的铁基复合材料,以此为研究对象并开展了一系列宏观力学性能和细观损伤机理的研究。通过先进的原位技术和多尺度的表征手段,对比研究了不同颗粒体积分数和热处理工艺在静载荷和循环载荷下对该复合材料微观变形机制和损伤演化规律的影响。进一步提出了合理颗粒特征和轧制工艺下对获得颗粒增强金属基复合材料优越力学性能的研究思路和方法,并在将来应用于制造各种装备的关键零部件服役中提供帮助。基于此思路,本文开展和完成的工作如下:（1）对Ti B2/Fe复合材料在静载荷下的力学性能和损伤机理进行了研究。通过共晶凝固工艺制备了9%和13%体积分数的Ti B2/Fe复合材料,并分析了该复合材料的微观组织结构及其力学性能。基于先进原位拉伸实验系统,获得了四种状态Ti B2/Fe复合材料的拉伸断裂行为。详细分析了Ti B2颗粒特征对复合材料断裂损伤机理和强韧性变化的影响,并建立了该复合材料的拉伸损伤行为与宏观力学性能之间的关系。（2）对Ti B2/Fe复合材料在静载荷下的断裂性能和损伤机理进行了研究。基于先进电子驱动式力学系统,测量了四种状态Ti B2/Fe复合材料在三点弯曲载荷下的断裂韧性值。结合原位扫描电镜技术,观察不同颗粒体积分数及热处理工艺下的颗粒特征与裂纹尖端的交互形式,从而揭示了四种状态Ti B2/Fe复合材料断裂损伤机制,并总结了Ti B2颗粒特征对该复合材料宏观断裂机理和抗断裂性能的影响。（3）对Ti B2/Fe复合材料在循环载荷下的疲劳裂纹萌生机理进行了研究。基于原位疲劳实验系统,获得四种状态Ti B2/Fe复合材料的低周疲劳裂纹萌生和小裂纹的扩展行为。对比研究了不同颗粒特征下的疲劳裂纹萌生机理,及裂纹萌生位置对主裂纹演化的影响。从而揭示了颗粒体积分数和热处理工艺对Ti B2/Fe复合材料低周疲劳裂纹萌生行为和损伤机制的影响。（4）对Ti B2/Fe复合材料在循环载荷下的疲劳裂纹扩展行为和损伤机制进行了研究。基于原位疲劳实验系统,获得了四种状态Ti B2/Fe复合材料的疲劳裂纹扩展速率。通过原位观察Ti B2颗粒与疲劳裂纹尖端的相互作用,从而揭示了四种状态Ti B2/Fe复合材料疲劳裂纹扩展机理。对不同体积分数和热处理下的扩展速率进行比较,发现Ti B2颗粒特征对疲劳裂纹扩展速率和抗裂纹扩展能力有着重要影响。
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