【摘 要】
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与纯铝或铝合金相比,颗粒增强铝基复合材料（PRAMCs）具有强度高、比模量高、耐磨和耐高温等优良的综合性能,同时也具有良好的可设计性,已经在军用和民用领域得到广泛应用。B4Cp/Al复合材料作为PRAMCs的一种,以其更低的密度和中子屏蔽能力越来越受到研究人员的关注。在乏燃料的运输过程中,由于冲击或者颠簸作用,可使B4Cp/Al复合材料受到外力。因此,对于B4Cp/Al复合材料的力学性能与失效行为
【基金项目】
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">国家重点研发计划项目（2017YFA0403803）,金属材料多场耦合制备与极端使役环境原位实验集成系统,2017.7.12022.6.31,负责人:王同敏；
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与纯铝或铝合金相比,颗粒增强铝基复合材料（PRAMCs）具有强度高、比模量高、耐磨和耐高温等优良的综合性能,同时也具有良好的可设计性,已经在军用和民用领域得到广泛应用。B4Cp/Al复合材料作为PRAMCs的一种,以其更低的密度和中子屏蔽能力越来越受到研究人员的关注。在乏燃料的运输过程中,由于冲击或者颠簸作用,可使B4Cp/Al复合材料受到外力。因此,对于B4Cp/Al复合材料的力学性能与失效行为的评价尤为关键。常规实验手段难以表征材料内部的变形损伤信息,而建立基于真实三维微观组织的有限元力学模型并开展加载条件下的力学性能研究提供了一条重要的研究途径。本文采用粉末冶金（PM）法制备10 wt%B4Cp/6061Al复合材料,选用的B4C颗粒尺寸分别为～20μm,～50μm和～80μm。利用同步辐射计算机断层扫描技术定量分析复合材料中的微观组织,建立基于真实三维组织的有限元力学模型,模拟复合材料的单向拉伸过程。结合模拟结果与拉伸实验数据,探究B4Cp/6061Al复合材料的变形和损伤过程,阐明颗粒尺寸对该复合材料力学行为的影响规律,为复合材料的制备、结构设计与性能调控提供理论依据。结果表明,用PM法制备的复合材料颗粒分散情况较好,无明显的界面产物,部分颗粒中可观察到裂纹。利用同步辐射成像实验对材料中的三维孔洞进行分析,发现孔洞主要位于B4C颗粒尖角和B4C颗粒聚集位置的近界面处。随着颗粒尺寸的增加,B4C颗粒周围的孔洞变大,孔洞总体积升高,复合材料的相对密度下降。室温拉伸实验结果表明,随着颗粒尺寸的增大,复合材料的强度和断裂应变均有下降,且断口处基体韧窝变浅,基体的塑性变形能力明显下降。拉伸断口表面中可观察到含裂纹颗粒,与拉伸前的统计结果对比,～80μm颗粒中含裂纹比例最高。同时,在拉伸断口中可见颗粒-基体界面分离现象。基于同步辐射成像结果建立了三维有限元力学模型,模拟得到的拉伸曲线与实验结果相吻合。结果表明,颗粒上的应力主要集中于颗粒的尖角和凹陷处,基体内的应变情况则与颗粒分布有关。随着颗粒尺寸的增大,复合材料更早发生颗粒断裂和界面脱粘,颗粒的承载能力下降。观察复合材料中的裂纹扩展情况,发现断裂颗粒和损伤界面将作为初始裂纹,并向着裂纹尖端的基体高应变区域扩展,最终形成主裂纹。模拟拉伸断口中可观察到颗粒断裂、界面分离以及基体的延性断裂,与实验结果相吻合。
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