B4C/2009Al復(fù)合材料的高周疲勞性能研究

紀(jì)　強(qiáng)，王　娜，欒運(yùn)加，馬　濤

(1 撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧撫順 113122；2 山東華魯恒升化工股份公司，山東德州 253000)

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B4C/2009Al復(fù)合材料的高周疲勞性能研究

紀(jì)強(qiáng)1，王娜1，欒運(yùn)加2，馬濤2

(1 撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧撫順 113122；2 山東華魯恒升化工股份公司，山東德州 253000)

摘要：本研究采用體積分?jǐn)?shù)為17%的碳化硼顆粒(B4C)增強(qiáng) 2009Al 復(fù)合材料，然后進(jìn)行熱擠壓加工(擠壓比為 90∶1)。對(duì)復(fù)合材料室溫下高周疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)通過(guò)分析疲勞斷口、觀察微觀結(jié)構(gòu)深入研究其失效機(jī)理。

在拉-壓循環(huán)載荷條件下測(cè)試了 B4C/2009Al 復(fù)合材料的高周疲勞性能。B4C/2009Al 復(fù)合材料的疲勞破壞機(jī)制為：微裂紋主要萌生于試樣表面劃痕和 B4C 與 Al 之間界面的脫粘；微裂紋萌生后首先在基體中擴(kuò)展，當(dāng)微裂紋遇到 B4C 顆粒時(shí)，裂紋發(fā)生偏折或者停止；隨著微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，裂紋尖端塑性區(qū)變大，B4C 顆粒斷裂和 B4C與基體界面的脫粘增多；最后，微裂紋不斷擴(kuò)展聚集造成了B4C/2009Al復(fù)合材料最終斷裂。

關(guān)鍵詞：B4C/2009Al復(fù)合材料，B4C顆粒，疲勞斷口，裂紋擴(kuò)展，疲勞裂紋萌生

疲勞和斷裂是引起材料失效的最主要的原因。在工程應(yīng)用中很多構(gòu)件都會(huì)發(fā)生疲勞破壞，很容易造成重大事故，給人的生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，危害性非常大[1]。因此，材料的疲勞性能引起了大家的關(guān)注，大量的學(xué)者從力學(xué)、材料及工藝等方面展開(kāi)試驗(yàn)研究[2]。

眾所周知，顆粒的加入使材料的硬度、耐摩擦性能、抗蠕變性能、強(qiáng)度都有了很明顯的改善，而且制備的復(fù)合材料展現(xiàn)出各向同性的性能，復(fù)合材料的制備同樣可以使用已成熟的各種制備技術(shù)。因此金屬基復(fù)合材料已成為可代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料應(yīng)用在航天領(lǐng)域的候選者。從19世紀(jì)中葉開(kāi)始，其疲勞性能開(kāi)始受到大家的關(guān)注[3]。在隨后的時(shí)間里，人們?cè)谄跈C(jī)理的認(rèn)識(shí)、疲勞壽命的預(yù)測(cè)和抗疲勞設(shè)計(jì)技術(shù)等方面有了很大的進(jìn)步。但是疲勞斷裂不僅與材料本身的缺陷有關(guān)，還受應(yīng)用環(huán)境、載荷變動(dòng)等影響，疲勞斷裂問(wèn)題變得非常復(fù)雜，還需要不斷地深入研究[4]。

1疲勞的概念

1.1疲勞的定義

金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長(zhǎng)期作用下，由于累計(jì)損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞[5-6]。按疲勞破壞循環(huán)次數(shù)的多少將疲勞分為兩類(lèi)：(1)高周疲勞。作用在材料上的載荷比較低，材料失效前經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)一般高于104～105次。(2)低周疲勞。作用在材料上的載荷比較高，材料失效前經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)一般低于104～105次。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

研究采用的材料為B4C/Al復(fù)合材料，其中增強(qiáng)體為B4C顆粒，B4C顆粒的體積分?jǐn)?shù)為17%，基體選用2009Al合金，成分：Cu為4%，Mg為1.5%，Al為94.5%。高周疲勞試樣參照GB 3075-82《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行機(jī)械加工，如圖1所示，圓柱型試樣夾持部分直徑D=12mm，試樣試驗(yàn)段直徑d=5mm，試樣試驗(yàn)段長(zhǎng)度為 15mm。

圖1　B4C/2009Al 復(fù)合材料疲勞測(cè)試試驗(yàn)件

1.3B4C/Al 復(fù)合材料S-N曲線

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得B4C體積分?jǐn)?shù)17%的B4C/2009Al復(fù)合材料的S-N曲線如圖2所示，由于實(shí)驗(yàn)材料的短缺，所以得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)有限。從 S-N 曲線中可以看出疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力幅從 245MPa 到 339MPa。當(dāng)載荷分別為 339MPa、313MPa、278MPa、261MPa、250MPa 時(shí)，復(fù)合材料相對(duì)應(yīng)的疲勞壽命分別為1.1×104、1.1×105、1.7×106、7.3×106和 9.5×106循環(huán)。當(dāng)應(yīng)力幅為 245MPa時(shí)，材料的疲壽命達(dá)到107次循環(huán)。疲勞強(qiáng)度占材料屈服強(qiáng)度的 66.2%，占抗拉強(qiáng)度的47.1%。有大量的研究報(bào)道，材料的高周疲勞數(shù)據(jù)分散性比較大，特別是在較低應(yīng)力水平時(shí)。然而在本次試驗(yàn)材料中，相同應(yīng)力水平下，兩次試驗(yàn)的疲勞數(shù)據(jù)比較一致，這可能是由于材料制備比較優(yōu)良，缺陷少。

圖2　B4C/2009Al 復(fù)合材料的S-N曲線

1.4B4C/Al復(fù)合材料的斷口形貌

為了更好地確定復(fù)合材料高周疲勞斷裂的機(jī)理，在Quanta 600 掃描電子顯微鏡下觀察斷裂試樣斷口[7]。圖3是疲勞斷口的宏觀形貌。其中圖3(a)是材料經(jīng)歷 153757 次循環(huán)失效后的斷口照片，圖3(b)是材料經(jīng)歷 9546233 次循環(huán)失效后的斷口照片。由圖可以看出疲勞斷口的形貌分為三個(gè)明顯的區(qū)域，三個(gè)區(qū)域分別為裂紋萌生區(qū)(A)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)(B)和裂紋快速斷裂區(qū)(C)。由圖3我們可以明顯地看出，A、B區(qū)域與C區(qū)域相比非常小。對(duì)比圖3中(a)和(b)圖我們可以看出，(b)圖中A、B區(qū)域和(a)圖中相比有明顯增大，其疲勞壽命也同樣較高。因?yàn)樘蓟鸷弯X彈性模量差別很大，因此塑性變形過(guò)程中應(yīng)力集中是難以避免的。在材料疲勞測(cè)試中，盡管疲勞載荷低于材料的屈服強(qiáng)度，但是在界面處或者增強(qiáng)顆粒的尖角處應(yīng)力集中程度高，局部應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度，發(fā)生微觀塑性變形。疲勞測(cè)試中，載荷應(yīng)力水平越高，材料局部微觀塑性變形越嚴(yán)重。2009Al 合金屬于可加工硬化材料，局部微觀塑性變形會(huì)改變復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力分布，因此不容易變形的區(qū)域?qū)⒊惺芨蟮妮d荷。換句話說(shuō)，在疲勞過(guò)程中的加工硬化會(huì)加大局部的應(yīng)力集中。在材料疲勞測(cè)試中，材料內(nèi)部應(yīng)力集中、微觀塑性變形和加工硬化之間相互作用，材料所承受的應(yīng)力水平較高，材料很容易在缺陷處萌生裂紋。因此 A 區(qū)域隨著應(yīng)力水平的增加而減小。

圖3　SEM宏觀照片：(a)經(jīng)歷153757次循環(huán)的疲勞斷口照片；(b)經(jīng)歷 9546233 次循環(huán)的疲勞斷口照片

1.5裂紋源

除了裂紋萌生于材料的表面，還有研究報(bào)道在 SiC/Al和 Al2O3/Al復(fù)合材料高周疲勞中都存在兩種其他的裂紋源，一種是在顆粒與基體的界面，另一種是在顆粒的斷裂處[8-10]。在本實(shí)驗(yàn)B4C/2009Al復(fù)合材料的高周疲勞中發(fā)現(xiàn)一種以上的情況，如圖4所示。由圖4(b)可以看出有許多尖角和碳化硼顆粒暴露在靠近試樣表面的斷口上，還可以看到有孔洞在顆粒的尖角處，導(dǎo)致顆粒與基體界面脫粘。疲勞試驗(yàn)中，材料會(huì)承受循環(huán)載荷，硬的碳化硼顆粒和軟的鋁基體循環(huán)變形能力的差異將造成顆粒與基體界面處的應(yīng)力集中或空位形成，當(dāng)這一應(yīng)力高于界面強(qiáng)度時(shí)，顆粒與基體發(fā)生脫粘。大量的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，當(dāng)材料承受載荷時(shí)，顆粒尖角處應(yīng)力集中嚴(yán)重，這些地方容易產(chǎn)生裂紋。同樣，部分界面上 Al3BC 的產(chǎn)生同樣對(duì)材料的界面強(qiáng)度有很大的危害，由此可知材料微裂紋萌生于帶有尖角的顆粒，然后裂紋沿界面擴(kuò)展到基體。

圖4　SEM 微觀照片：(a)裂紋萌生于表面劃痕；(b)裂紋萌生于顆粒脫粘

1.6裂紋擴(kuò)展

在靠近裂紋萌生處，材料斷口宏觀上比較平坦。裂紋剛剛萌后，在較高頻率的循環(huán)拉壓載荷下，裂紋萌生處的上下裂紋面也經(jīng)歷反復(fù)擠壓摩擦，可能會(huì)破壞斷口原始形貌，使斷口看起來(lái)比較平整。

從圖5可以看出該區(qū)域斷口表面的粗糙度明顯，從圖5(a)可以看出，裂紋擴(kuò)展形貌類(lèi)似于臺(tái)階，擴(kuò)展路徑十分曲折，裂紋大部分是在鋁基體中通過(guò)。從圖5(b)可以看到，在裂紋擴(kuò)展遇到顆粒，裂紋發(fā)生曲折或者裂紋停止，裂紋不斷改變方向，裂紋擴(kuò)展路徑總長(zhǎng)度增加，裂紋擴(kuò)展消耗能量增大，裂紋表面粗糙度增大可誘導(dǎo)裂紋閉合效應(yīng)，當(dāng)載荷還處于拉伸狀態(tài)時(shí)，斷口的兩面就已經(jīng)接觸，因此從接觸到載荷為零這段過(guò)程對(duì)裂紋的擴(kuò)展沒(méi)有貢獻(xiàn)，裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力減小，擴(kuò)展抗力增大，材料抗疲勞性能增強(qiáng)。還可以看到裂紋穿過(guò)后的“撕裂脊”，還有部分碳化硼顆粒在斷口上。

圖5　裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)掃描照片：(a)臺(tái)階狀斷口；(b)撕裂棱、碳化硼顆粒

圖6　掃描照片：(a)、(b)疲勞失效試樣縱剖圖；(c)、(d)疲勞失效試樣橫剖圖

在疲勞失效試樣的縱剖圖上可以看到有大量的斷裂的碳化硼顆粒如圖6(a)所示，這些顆粒斷裂的裂紋與材料疲勞加載方向相垂直。這與在疲勞斷口中觀察到的現(xiàn)象相符。這種失效機(jī)制在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中是比較常見(jiàn)類(lèi)型，增強(qiáng)相在疲勞實(shí)驗(yàn)的拉伸階段發(fā)生斷裂。而且還可以看出狹長(zhǎng)的顆粒比等軸的顆粒出現(xiàn)裂紋的多，這也證實(shí)了顆粒方位對(duì)材料性能的影響。從圖6(b)可以看到，由顆粒斷裂引起的裂紋沿界面向基體中擴(kuò)展。

在試樣的橫剖圖(圖6(c))上我們也觀察到了顆粒斷裂，顆粒斷裂的形貌和縱剖圖上的相似。這可能是在疲勞載荷為壓縮時(shí)，顆粒被破壞。但是這種情況比較少見(jiàn)。在圖6(d)中我們可以看到一條狹長(zhǎng)的裂紋，其中有顆粒斷裂和界面脫粘，裂紋可能萌生于顆粒斷裂或者顆粒尖角處界面脫粘，然后擴(kuò)展到鋁基體中。

2分析與討論

已有的結(jié)果顯示，疲勞裂紋萌生的位置通常是靠近試樣表面，在疲勞循環(huán)加載過(guò)程中，試樣表面應(yīng)力水平最高，而且表面處存在缺陷的可能性也比較大，這些情況都促成了裂紋源于表面產(chǎn)生。同樣引起裂紋萌生的情況也比較復(fù)雜，比如說(shuō)顆粒團(tuán)聚、表面劃痕、大顆粒、金屬間化合物等，在這些缺陷處應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，材料在承受循環(huán)加載時(shí)容易優(yōu)先產(chǎn)生裂紋。在本次通過(guò)粉末冶金工藝制備的 B4C/2009Al 復(fù)合材料中，裂紋源主要萌生于表面劃痕和 B4C 脫粘。在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中裂紋與顆粒相遇時(shí)的情況比較復(fù)雜。當(dāng)增強(qiáng)顆粒與基體的界面結(jié)合較差時(shí)，裂紋會(huì)沿界面擴(kuò)展，增強(qiáng)相的強(qiáng)化效果會(huì)減弱。當(dāng)增強(qiáng)顆粒與基體界面結(jié)合強(qiáng)度較高時(shí)，顆粒會(huì)承擔(dān)部分載荷，發(fā)生顆粒斷裂或者裂紋繞過(guò)顆粒擴(kuò)展。

當(dāng)裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中遇到顆粒擴(kuò)展路徑發(fā)生偏折，會(huì)大大增加裂紋擴(kuò)展抗力，同樣誘發(fā)裂紋閉合，材料的疲勞性能有很大的提高。本文通過(guò)對(duì) B4C/2009Al 復(fù)合材料高周疲勞斷口分析得出，B4C 顆粒與疲勞裂紋相遇時(shí)會(huì)發(fā)生兩種情況。在裂紋萌生初期，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和塑性區(qū)較小，裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力小，裂紋與顆粒相遇時(shí)發(fā)生偏折，增加擴(kuò)展路徑長(zhǎng)度，有利于裂紋的閉合效應(yīng)。隨著裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變大，裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力變大，主要發(fā)生 B4C 顆粒的斷裂。在本次試驗(yàn)制備的復(fù)合材料大部分界面結(jié)合比較好，因此只有少量的界面脫粘出現(xiàn)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了 B4C/2009Al 復(fù)合材料在拉-壓循環(huán)載荷下表現(xiàn)出來(lái)的疲勞壽命，即S-N曲線，以及研究了 B4C/2009Al 復(fù)合材料的疲勞裂紋萌生機(jī)制和裂紋擴(kuò)展機(jī)制。拉壓循環(huán)載荷作用下B4C體積分?jǐn)?shù)為17%的B4C/2009Al復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度比鋁基體要高。主要原因是 B4C 顆粒的存在承擔(dān)了部分載荷，提高了裂紋萌生的抗力；本次試驗(yàn)制備的 B4C/2009Al 復(fù)合材料的裂紋萌生機(jī)制主要由兩種，一種是材料表面的劃痕，另一種是碳化硼顆粒與基體的界面脫粘；B4C/2009Al 復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展機(jī)制主要分兩個(gè)階段，一是在裂紋擴(kuò)展的初期，裂紋優(yōu)先在基體中擴(kuò)展，裂紋遇到顆粒會(huì)發(fā)生偏折。二是裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，疲勞斷裂的主要機(jī)制變?yōu)樘蓟痤w粒斷裂。

3結(jié)論

采用粉末冶金法成功制備了 B4C 顆粒分布比較均勻的 B4C/2009Al復(fù)合材料。研究了 B4C 體積分?jǐn)?shù)為 17% 的 B4C/2009Al 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、拉伸性能、高周疲勞等力學(xué)行為，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)深入探討了 B4C 顆粒在高周疲勞中的作用和復(fù)合材料的破壞機(jī)理。主要結(jié)論如下：

研究了拉-壓循環(huán)載荷下 B4C/2009Al 復(fù)合材料的高周疲勞性能，得到S-N 曲線，并和已有的 SiC/2009Al 復(fù)合材料報(bào)道相比較，發(fā)現(xiàn) B4C/2009Al復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度更高，且疲勞極限能夠達(dá)到 250MPa 左右，這主要?dú)w結(jié)為增強(qiáng)顆粒承擔(dān)了部分載荷，提高了裂紋萌生的阻抗力。同時(shí)，B4C/2009Al復(fù)合材料裂紋萌生機(jī)制的研究表明：一是材料表面的劃痕，二是材料表面中B4C 顆粒與鋁基體界面脫粘。對(duì)微裂紋擴(kuò)展的研究發(fā)現(xiàn)，在微裂紋擴(kuò)展的初期，裂紋主要在基體中擴(kuò)展，當(dāng)遇到碳化硼顆粒時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有利于誘發(fā)裂紋的閉合，提高材料的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力。同時(shí)隨著微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，材料的斷裂的機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)?B4C顆粒斷裂，同時(shí)伴隨著少量的顆粒脫粘。粉末冶金制備 B4C/2009Al 復(fù)合材料及疲勞性能的研究十分復(fù)雜。在材料制備的初期，需要多次試驗(yàn)不斷調(diào)節(jié)合金含量、熱壓溫度、保溫時(shí)間等工藝得到最優(yōu)的工藝參數(shù)，制備出具有較高性能良好的復(fù)合材料。

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通訊作者：紀(jì)強(qiáng)，學(xué)士，工程師，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)；E-mail：iqfssh@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 333

Research of High Cycle Fatigue Behavior of Boron Carbide Reinforced 2009 Aluminum Matrix Composites

JI Qiang1，WANG Na1，LUAN Yun-jia2，MA Tao2

(1 Fushun Chenical Machinery Equipment Manufacture Co.，Ltd.，F(xiàn)ushun 113122，Liaoning，China；2 Shandong Huaneng Power Chemical Corporation，Dezhou 253000，Shandong，China)

Abstract：In the study，17vol.% B4C particles reinforced 2009Al composite was manufactured by powder metallurgy processing and following hot extrusion (90∶1). The tension property and high cycle fatigue behavior at room temperature was investigated，respectively. Moreover，combining with the microstructural observations of composite and the fractograph analyses of tensile and fatigue specimens，the failure mechanisms were analyzed.

The fatigue tests of B4C/2009Al composites under pull-push loading were carried out. Moreover，the fatigue micro-crack initiation mechanism was studied. The fatigue micro-cracks initiated mainly at the surface scratch of specimen and interfacial decohesion. At the beginning of the micro-crack growing，micro-cracks preferred to expend in the matrix. When the micro-cracks encountered the B4C particles，it could be deflected or pinned. As themicro-cracks growing，the plastic zone of crack tip became more and more large. Further，it would result in the fracture of B4C particles or the interfacial decohesion. Finally，the fatigue failure of the B4C/2009Al composite was attributed to the penetration of these micro-cracks.

Key words：B4C/2009Al composite，B4C particles，fatigue fracture surface，crack growth，fatigue crack initiation