連續(xù)CF-Al復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸細(xì)觀損傷與斷裂力學(xué)行為研究.pdf

1、學(xué)校代碼：10406分類號：TB333學(xué)號：150308020110南昌航空大學(xué)南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)位研究生）連續(xù)連續(xù)CFAl復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸細(xì)觀損傷與斷復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸細(xì)觀損傷與斷裂力學(xué)行為研究裂力學(xué)行為研究碩士研究生：田亮導(dǎo)師：王振軍副教授申請學(xué)位級別：碩士學(xué)科、專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化所在單位：航空制造工程學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：南昌航空大學(xué)I摘要先進(jìn)碳纖維具有密度低，強(qiáng)度和模量高、高低溫性能穩(wěn)定、熱

2、膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能；鋁合金韌性較好且具有一定塑性，價(jià)格低廉加工方便，而且耐腐蝕和耐熱性能優(yōu)異。由二者復(fù)合而成的連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（CFAl復(fù)合材料）兼具兩種組元材料的特性，而且呈現(xiàn)出高比強(qiáng)度和高比模量，抗疲勞耐磨損，以及良好尺寸穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，其較鈦合金和高分子復(fù)合材料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料優(yōu)勢明顯，是滿足未來航空航天結(jié)構(gòu)輕量化、高精度技術(shù)要求的先進(jìn)復(fù)合材料?，F(xiàn)階段關(guān)于CFAl復(fù)合材料的研究，主要集中在制備工藝方法、微觀組織、界面反

3、應(yīng)控制等方面，而關(guān)于CFAl復(fù)合材料承載變形時(shí)損傷與斷裂行為的研究并不多，從微觀角度掌握其損傷演變規(guī)律與內(nèi)在失效機(jī)理，不僅可為進(jìn)一步改進(jìn)制備工藝提高材料性能提供理論指導(dǎo)，也是復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用亟待解決的基礎(chǔ)問題。本文選用石墨纖維M40J為增強(qiáng)體，鑄造鋁合金ZL301為基體合金，采用真空壓力浸滲法制備出了纖維體積分?jǐn)?shù)為55%的單向CFAl復(fù)合材料。采用單軸拉伸和顯微硬度實(shí)驗(yàn)獲得了基體合金彈塑性力學(xué)行為和界面結(jié)合性能，通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸

4、實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料縱向和橫向拉伸斷裂力學(xué)行為，獲得了其縱向和橫向拉伸彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變等性能參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過對基體合金延性損傷、界面損傷減聚和纖維斷裂等關(guān)鍵問題的處理，建立了單向CFAl復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)三維有限元模型，計(jì)算獲得了復(fù)合材料縱向和橫向準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷下的力學(xué)響應(yīng)，通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比分析了細(xì)觀力學(xué)模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬進(jìn)一步研究了纖維性能、界面性能和纖維體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料微觀損傷和宏觀力學(xué)性能

5、的影響規(guī)律，獲得以下主要結(jié)論：（1）復(fù)合材料橫向拉伸微觀損傷演變與失效機(jī)理如下：復(fù)合材料界面首先發(fā)生局部損傷，隨著橫向應(yīng)變增加，界面損傷不斷積累并引起局部界面發(fā)生脫粘和失效，與此同時(shí)界面失效導(dǎo)致基體合金局部應(yīng)力集中，從而使得界面附近基體合金開始損傷，此后隨塑性應(yīng)變增大基體合金損傷程度逐漸增加并引發(fā)界面區(qū)域的基體合金失效，最終引起纖維與基體開裂而導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生整體橫向斷裂。（2）復(fù)合材料縱向拉伸微觀損傷演變與失效機(jī)理如下：界面損傷積累引