【摘 要】
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颗粒增强铝基复合材料以其比强度、比模量、疲劳性能、阻尼以及耐磨性等均高于相应母材金属的特点,受到广泛关注及深入研究,并且在诸多领域得到应用。这种材料的力学性能依赖于其组分相的力学特性和微观组织特征,比如颗粒自身的强度、大小、形状和分布,颗粒-基体界面的性能以及铝基体的位错密度、孔隙率和各向异性程度等。本文的研究工作主要是针对通过混合盐反应法制备的原位自生TiB2颗粒增强2024复合材料（下文简称为
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颗粒增强铝基复合材料以其比强度、比模量、疲劳性能、阻尼以及耐磨性等均高于相应母材金属的特点,受到广泛关注及深入研究,并且在诸多领域得到应用。这种材料的力学性能依赖于其组分相的力学特性和微观组织特征,比如颗粒自身的强度、大小、形状和分布,颗粒-基体界面的性能以及铝基体的位错密度、孔隙率和各向异性程度等。本文的研究工作主要是针对通过混合盐反应法制备的原位自生TiB2颗粒增强2024复合材料（下文简称为TiB2/2024复合材料）的力学行为问题而展开的。通过试验手段对TiB2/2024复合材料的微观组织特征和断裂机理进行了研究。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察,明确了TiB2颗粒的尺度、形状、分布等情况。颗粒主体粒径尺寸为30～500nm,形状圆整,无尖角。颗粒分布具有以下特征:尺寸较大的微米和亚微米级颗粒在基体晶粒的晶界附近偏聚,形成TiB2颗粒偏聚带;而尺寸较小的纳米级颗粒则弥散分布在基体区域内部。进行了TiB2/2024复合材料的准静态SEM原位拉伸试验,观察到微裂纹在颗粒偏聚带中萌生、累积以及贯通基体区域的过程,确认TiB2/2024复合材料的断裂机理为韧-脆混合型断裂。为了研究颗粒所发挥的强化效果,进行了TiB2/2024复合材料和2024铝合金微区压痕试验研究。借助Oliver-Pharr分析方法,从压入弹性模量和硬度的角度揭示了复合材料基体区域相对于2024铝合金的力学性能的变化。研究结果表明:相比于2024铝合金,基体区域的压入弹性模量没有明显的变化,而硬度却提高了33.7%,说明基体区域的流动应力得到强化,印证了弥散纳米TiB2颗粒对基体区域具有明显的间接强化作用,还说明铝基复合材料弹性模量的提高主要得益于TiB2颗粒自身的高模量。为了确定经弥散纳米颗粒强化之后的基体区域塑性力学性能,在压痕试验中,对基体区域采用了四种不同最大压入载荷;在理论分析方面,对压痕过程中可能涉及到的变量进行了量纲分析;建立弹塑性有限元模型,对46种“虚拟”材料的压痕过程进行了数值模拟。结合上述分析结果,构建了塑性力学性能的分析模型,将基体区域压痕试验结果作为输入,反演获得了基体区域的屈服强度和应变硬化指数。为了更深层次研究TiB2/2024复合材料的细观损伤断裂行为,再现SEM原位拉伸试验中所展现的损伤断裂过程。结合颗粒分布微观组织特征,建立了包含六边形堆积结构颗粒偏聚带的二维单胞有限元模型,可以考虑不同颗粒偏聚程度,并根据考虑颗粒断裂与否分为两种单胞模型。模型中颗粒的断裂判据为最大主应力准则,对于基体区域则使用Rice-Tracey局部失效准则,推导和应用了弹塑性迭代中的径向返回算法。对TiB2/2024复合材料的细观损伤断裂行为进行了数值模拟,结果表明:颗粒偏聚程度的不同并没有显著改变颗粒中最大主应力和基体区域损伤变量的均值,而是随着颗粒偏聚程度的加剧,颗粒中最大主应力和基体区域损伤变量的分散程度会增大,这就意味着TiB2颗粒偏聚程度越严重,越容易导致TiB2/2024复合材料中微裂纹的萌生。采用Mori-Tanaka均匀化方法、GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）多孔韧性失效模型和描述颗粒断裂的Weibull概率统计模型,建立了反映TiB2/2024复合材料韧-脆混合型损伤断裂机理的跨尺度分析模型。将断裂的颗粒体积分数作为微孔洞形核体积分数,以考虑颗粒断裂对基体区域韧性失效过程的影响。在完成损伤变量的标定之后,跨尺度分析模型能够合理地预测环槽缺口圆棒的拉伸力学响应和断裂失效过程,这为铝基复合材料承力结构的强度设计提供了理论依据和评估方法。
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