Ti/Al3Ti層狀復合材料層間斷裂性能研究

王澤明，周培俊，汪恩浩，袁 丁，姜風春，果春煥

(哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，超輕材料與表面技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

Ti/Al3Ti層狀復合材料層間斷裂性能研究

王澤明，周培俊，汪恩浩，袁 丁，姜風春，果春煥

(哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，超輕材料與表面技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

果春煥

金屬間化合物基層狀復合材料Ti/Al3Ti是采用Ti-6Al-4V箔和Al箔按照一定順序疊加后，在真空環境下熱壓燒結成由韌性金屬Ti和金屬間化合物Al3Ti組成的疊層結構。利用ENF(End-Notch-Flexure)和MMF(Mixed-Mode-Flexure)測試方法，對Ti/Al3Ti層狀復合材料的II型及I+II型層間斷裂能、層間斷裂行為以及能量釋放率等方面進行了研究。結果表明，Ti/Al3Ti層間斷裂時，裂紋在復合材料界面處發生起裂，而在傳播過程中發生偏轉，最終導致Al3Ti層開裂。由此可見，在實驗過程中裂紋的表現形式是在Ti/Al3Ti界面及Al3Ti層中共同擴展；I+II型層間起裂能量釋放率GI+II為46 J/m2，II型層間起裂能量釋放率GII為1453 J/m2，表明II型層間斷裂比I+II型層間斷裂更困難。關鍵詞：層狀復合材料Ti/Al3Ti；I+II型層間斷裂；II型層間斷裂；層間斷裂研究；層間能量釋放率

1 前 言

金屬間化合物基層狀復合材料Ti/Al3Ti由于其具有低密度、高比強度和比彈性模量，且在高溫時仍可保持足夠高的強度和剛度等優異性能，使其在航空航天、艦船、地面武器裝備等領域受到極大的重視[1-3]。Vecchio等[4]首先在無真空條件下用Ti箔和Al箔燒結制備出了界面結合良好、無雜質、結構致密的Ti/Al3Ti層狀復合材料，利用Ti的韌性大幅提高了金屬間化合物Al3Ti的室溫塑性。國內哈爾濱工程大學也利用無真空燒結制備技術制備出了高性能金屬間化合物基層狀復合材料Ti/Al3Ti，并開展了裝甲防護性能方面的研究[5-6]。

目前，對這種Ti/Al3Ti層狀復合材料研究大多集中在制備工藝或斷裂失效方面[7,8]，而對Ti/Al3Ti層狀復合材料界面方面的研究鮮見報道。本文利用真空熱壓燒結方法制備Ti/Al3Ti層狀復合材料，并利用MMF(Mixed Mode Flexure)和ENF(End-Notch-Flexure)方法測定Ti/Al3Ti層狀復合材料I+II型層間混合斷裂和II型層間斷裂的能量釋放率，來探究該材料的層間裂紋擴展方式。

2 實 驗

2.1 復合材料Ti/Al3Ti的制備

在ZRT-60-30型真空熱壓爐上進行真空熱壓燒結Ti/Al3Ti，選用厚度為0.60 mm的Ti-6Al-4V箔片和0.90 mm的Al箔片(純度為99.99%)為原料。試樣尺寸為100 mm(長)×100 mm(寬)。對金屬箔片進行預處理，即去除其表面的氧化皮、污物等，并使其表面保持干燥。然后把Ti, Al箔片交替疊加，疊加后要保證最外層為Ti層，最后放入真空熱壓爐中，按照一定燒結工藝進行燒結，具體詳見文獻[9]。

2.2 I+II型層間混合斷裂實驗

對Ti/Al3Ti層狀復合材料，采用電火花線切割加工試樣尺寸為60 mm(長)×10 mm(寬)×4 mm(高)，并在第3層Ti和Al3Ti的層間處預制裂紋，保證試樣預制的裂紋在試樣厚度的中間位置，試樣跨距為40 mm，加工后的I+II型層間混合斷裂試樣幾何形狀如圖1所示。

圖1 I+II型層間混合斷裂實驗用的試樣幾何尺寸示意圖Fig.1 The specimen geometry diagram of type I+II interlaminar fracture experiment

根據試驗過程中獲得的載荷-位移曲線，并結合式(1)[10]，可計算出層狀復合材料在受載過程中的能量釋放率：

(1)

其中P是加載應力(N)，C為柔度(位移/應力，δ/P)，a為裂紋長度(mm)，W為試樣寬度(mm)，L為試樣跨距(mm)，GI+II為能量釋放率(J/m2)。

2.3 II型層間斷裂實驗

II型層間斷裂試樣幾何尺寸和預裂紋位置及長度與I+II型層間混合斷裂實驗一致，區別在于II型層間斷裂試樣預制的裂紋直接從試樣的一側開起，且裂紋端部與支座之間無空隙，加工后的試樣幾何尺寸如圖2。

圖2 II型層間斷裂實驗用的試樣幾何尺寸示意圖Fig.2 The specimen geometry diagram of Type II interlaminar fracture experiment

對于II型斷裂的計算能量釋放率的公式見式(2)[11,12]：

(2)

其中P是加載應力(N)，C為柔度(位移/應力，δ/P)，a為裂紋長度(mm)，W為試樣寬度(mm)。

柔度的計算方式[13]為式(3)：

(3)

其中L為試樣跨距的一半長度，Ef為彎曲模量，h為試樣厚度的一半。由公式(2)～(3)可得式(4)：

(4)

進而計算得到II型能量釋放率表達形式，見式(5)：

(5)

2.4 不同加載速率下的I+II型層間混合斷裂實驗及II型層間斷裂實驗

采用Instron5500R電子萬能材料實驗機，載荷由2 kN的載荷傳感器輸出，撓度變形由放在加載點下的變形傳感器測定，載荷和撓度的變化由X-Y記錄儀記錄。在加載速率1～5 mm/min條件下，對I+II型層間混合斷裂及II型層間斷裂試樣進行測試，并由載荷-位移曲線結合公式(1)和(5)得到相應的I+II型及II型層間斷裂的能量釋放率。

3 結 果

3.1 載荷-位移及起裂能量釋放率

I+II型混合型斷裂試樣在加載速率為1 mm/min條件下獲得的載荷-位移曲線如圖3所示。由圖3可見，試樣受載的起始階段，隨著位移的增加，載荷不斷增加，二者呈線性關系；但當曲線上出現第一個轉折點時，試樣開始起裂，試樣起裂時所對應的載荷約為200 N；試樣開裂后，載荷有短暫的下降，隨后又繼續增加。由獲得的載荷-位移曲線(圖3)和公式(1)，可計算得到Ti/Al3Ti層狀復合材料的I+II型混合層間斷裂的起裂能量釋放率，I+II型混合斷裂試樣起裂時對應的載荷及能量釋放率列于表1所示。由此可見，在加載速率1 mm/min的條件下，Ti/Al3Ti層狀復合材料的平均起裂載荷為196 N，而能量釋放率GI+II為46 J/m2。

圖3 I+II型混合斷裂實驗的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of I+II type mixed fracture experiment

Specimen123456AveragevalueLoad(N)204179162196219205196Displacement(mm)0.310.320.320.300.320.230.30Energyreleaserate(J/m2)50444147553746

圖4則為II型斷裂獲得的載荷-位移曲線，可見，試樣在加載速率為1 mm/min的作用下，隨著載荷的增加，位移量變大；達到最高點后，載荷迅速下降，此點對應試樣的起裂。對比圖3和4的曲線，可以看出，II型斷裂實驗過程中試樣起裂所需載荷明顯高于I+II型混合斷裂實驗。同樣，通過載荷-位移曲線(圖4)及公式(5)，可獲得II型斷裂實驗能量釋放率。II型斷裂實驗裂紋起裂時的能量釋放率，列于表2所示。可以看出，試樣開始起裂所對應的平均載荷為1053 N，而此時的能量釋放率為1453 J/m2。

圖4 II型斷裂實驗的載荷-位移曲線Fig.4 Load-Displacement curve of II type mixed fracture experiment

Specimen1234AveragevalueLoad(N)12001150104010201053Displacement(mm)0.560.730.530.780.55Energyreleaserate(J/m2)15982023131519091453

3.2 加載速率對能量釋放率的影響

在加載速率分別為1 mm/min，2 mm/min，3 mm/min，4 mm/min和5 mm/min的條件下，得到了不同加載速率I+II型和II型層間斷裂載荷-位移曲線，相應的載荷-位移曲線和能量釋放率-位移曲線如圖5和圖6所示。

由不同加載速率下I+II型層間斷裂實驗載荷-位移曲線和能量釋放率曲線(如圖5所示)，可以看出，能量釋放率隨著位移的增大而增大，在裂紋起裂時開始下降，隨后由于載荷的上升，再次增加。在1～5 mm/min加載速率的條件下，起裂能量釋放率為85～35 J/m2。

由載荷-位移曲線圖6a和裂紋擴展的能量釋放率-位移曲線圖6b可以看出，能量釋放率隨著位移的增大，而不斷增加，在到達起裂時最高，隨后開始下降。在2～5 mm/min情況下，起裂能量釋放率GII平均數基本維持在2400 J/m2；在 1 mm/min情況下，能量釋放率偏低，平均只有1250 J/m2。

圖5 不同加載速率下I+II型層間斷裂實驗載荷-位移曲線(a)和能量釋放率曲線(b)Fig.5 Load-displacement (a) and energy release rate (b) curve of I+II type mixed fracture experiment

圖6 不同加載速率下Ⅱ型層間斷裂實驗載荷-位移曲線(a)和能量釋放率曲線(b)Fig.6 Load-displacement (a) and energy release rate (b) curve of II type mixed fracture experiment

4 討 論

4.1 斷裂裂紋在界面處擴展方式

利用SEM對I+II型層間斷裂實驗及II型斷裂實驗的斷口進行觀察，如圖7所示，可以看到裂紋起裂發生在Ti/Al3Ti層間界面處預制裂紋尖端。在裂紋擴展過程中，由于Al3Ti具有脆性，在受彎曲過程中比層間界面更易發生斷裂，從而使得裂紋擴展進入Al3Ti材料，由于Ti具有韌性，從而使裂紋在Ti/Al3Ti層間處及靠近界面處的Al3Ti中開始擴展。這表明在彎曲實驗中，Ti/Al3Ti層狀復合材料不會完全沿界面開裂，而是在界面和Al3Ti層中混合開裂，如圖8。由此可以看出Ti/Al3Ti層狀復合材料界面的破壞方式屬于混合應力破壞，即內聚力破壞和界面破壞共存的破壞方式。

圖7 I+II型層間混合斷裂(a)和II型層間混合斷裂(b)試樣斷裂后SEM照片Fig.7 SEM images of type I+II (a) and type II (b) specimens fracture

圖8 界面處裂紋擴展示意圖Fig.8 Schematic diagram of crack growth at the interface

在1 mm/min速率下，I+II型層間斷裂起裂能量釋放率GI+II為46 J/m2，而Ⅱ型層間斷裂實驗起裂能量釋放率GII平均數為1453 J/m2。造成這兩種實驗結果巨大差距的原因，主要是由于兩種試樣的斷裂方式和試樣的幾何形狀不同導致的。Ⅱ型層間斷裂實驗是滑移型撕裂，而I+II型層間斷裂實驗是混合型斷裂。由圖1和圖2對比可見，I+II型層間斷裂試樣在預裂紋到支座之間有間隙，即沒有Ti/Al3Ti材料，而Ⅱ型層間斷裂試樣則無間隙。在三點彎曲時，試樣中心受到壓力，I+II型層間斷裂試樣，由于預裂紋到支座之間沒有材料，導致預裂紋更容易發生起裂和擴展，從而致使張開型和滑移型斷裂共同存在，相應地起裂能量釋放率GI+II偏小；而Ⅱ型層間斷裂試樣的預裂紋到支座之間存在材料，所以斷裂時只發生滑移型撕裂，預裂紋的起裂比I+II型層間斷裂更加困難，從而導致起裂能量釋放率GII比GI+II大50倍以上。

Ⅱ型層間斷裂能量釋放率GII明顯高于GI+II，且Ⅱ型層間斷裂起裂所需的載荷也明顯高于I+II型層間斷裂，由裂紋起裂所需的能量釋放率及載荷來考慮，裂紋受張開型和滑移型斷裂比單純受到滑移型斷裂更危險。Ti/Al3Ti層狀復合材料裂紋擴展是在界面和Al3Ti層中共同進行，由裂紋在Ti/Al3Ti層間擴展方式可知Ti/Al3Ti層間結合處在彎曲過程中比Al3Ti強度更好。

4.2 速率與能量釋放率關系

在加載速率為1～5 mm/min的條件下，I+II型層間斷裂實驗和II型斷裂實驗，由于同種實驗的加載速率的不同，導致了起裂時載荷及能量釋放率的變化。

根據載荷-位移曲線及相應的公式，可得到I+II型和II型斷裂起裂時的能量釋放率。由圖5和圖6以及相應的公式(1)和(5)，獲得的不同類型層間裂紋起裂時不同加載速率下的能量釋放率，如圖9所示。由加載速率變化引起的起裂能量釋放率的變化可以看出，Ⅱ型層間能量釋放率隨加載速率的變化呈上升趨勢，而I+II型層間能量釋放率隨加載速率的變化則呈下降趨勢。且根據曲線可以導出能量釋放率隨速率增加的關系，二者之間的關系見式(6)：

(6)

其中，GI+II、GII是能量釋放率(J/m2)，v是速率(mm/min)。

圖9 不同加載速率下I+II型層間斷裂(a)和II型斷裂(b)裂紋起裂時能量釋放率Fig.9 Energy release rate curve of I+II (a) and II (b) type mixed fracture experiment at different speeds

5 結 論

(1)在加載速率為1 mm/min的條件下，I+II型層間斷裂能量釋放率GI+II為46 J/m2，Ⅱ型層間斷裂能量釋放率GII為1453 J/m2，Ⅱ型層間斷裂起裂比I+II型層間斷裂起裂需要更多的能量。

(2)當層狀材料Ti/Al3Ti承受垂直于表面的外部載荷時，在預裂紋處很容易導致裂紋起裂和擴展，在受力過程中，裂紋先在界面處起裂，隨后擴展至Al3Ti層，最后裂紋在Al3Ti層和Ti/Al3Ti界面處共同擴展。

(3)隨著加載速率的增加，I+II型層間裂紋起裂時的能量釋放率趨于減小；而II型的起裂能量釋放率則呈現增加趨勢。

References

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(編輯 蓋少飛)

Research on Interlayer Fracture Properties of Ti/Al3Ti Layered Composite

WANG Zeming, ZHOU Peijun, WANG Enhao, YUAN Ding, JIANG Fengchun，GUO Chunhuan

(Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology, Ministry of Education, College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Metal-Intermetallic Laminate (MIL) composite Ti/Al3Ti, which is a class of laminated material and consists of ductile Ti layers and intermetallic Al3Ti layers, is sintered using both Ti-6Al-4V foils and Al foils. In this paper, the methods of ENF (End-Notch-Flexure) test and MMF(Mixed-Mode-Flexure) test are used to investigate the interlaminar fracture energy of two fracture types (type II and type I + II), the interlaminar fracture behavior and the energy release rate of MIL composite Ti/Al3Ti. The results show that the crack initiation occurred at the interface between the layers, and the deflection occurred in the course of the crack propagation, which led to the crack of Al3Ti layer. Therefore, the cracks finally appeared to propagate at both the interface of composite and the Al3Ti layer. The interlaminar fracture energy release ratesGI+IIandGIIare 46 J/m2and 1453 J/m2, respectively, which show that type II interlaminar fracture crack requires more energy than that of type I + II.

metal-intermetallic laminate (MIL) composite; I+II interlaminar fracture； II interlaminar fracture； interlaminar fracture behavior; inter-layer energy release rate

2015-9-02

國家科工局基礎科研項目(B2420133004)；國家自然科學基金(11402060)

王澤明，男，1989年生，碩士研究生

果春煥，女，1980年生，講師，碩士生導師，Email: guochunhuan@hrbeu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.02.11

TB331

A

1674-3962(2017)02-0155-06