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陶瓷短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度大，耐磨性與尺子穩(wěn)定性好，是一類很有發(fā)展前途的復(fù)合材料。至今對此類復(fù)合材料強(qiáng)度進(jìn)行了廣泛的研究，并發(fā)展了多種強(qiáng)度理論公式，但應(yīng)用最廣泛的是混合法則不同的研究得到的纖維取向因子不同：其原因主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定系數(shù)C或者根據(jù)拉伸結(jié)果擬合而得到C，其根本點(diǎn)是缺乏與材料斷裂機(jī)制相結(jié)合進(jìn)行FEA分析。因而所發(fā)展的理論公式不具備預(yù)測陶瓷短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度的普遍性規(guī)律。
本文從分析3A1203復(fù)合材料斷裂機(jī)制與過程出發(fā)，考慮纖維分布特征、界面結(jié)合狀況、基體強(qiáng)化情況等因素的影響，建立簡單的強(qiáng)度理論公式，并與拉伸結(jié)果進(jìn)行比較。
復(fù)合材料利用擠壓鑄造法制備。基體合金為商品級ZL109合金。增強(qiáng)纖維為國產(chǎn)耐火纖維，其晶型結(jié)構(gòu)為莫來石結(jié)構(gòu)。
拉伸過程SEM原位觀察在CamScan-4型掃描電鏡上進(jìn)行，試樣尺寸見圖所示。將其在800#水砂紙上磨光，并在拋光機(jī)上拋光。圓弧先用小圓銼加工，再用細(xì)砂紙磨光。
常規(guī)拉伸試驗(yàn)在日本島津AG-lOTA試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，基體材料ZL109合金的拉伸試樣取自同一擠壓模中未增強(qiáng)部位。
由于3A1203復(fù)合材料塑性較差(b=0.9s%)，呈脆性斷襲，其整個斷裂過程難以跟蹤，但可從斷口附近裂紋啟裂及擴(kuò)展情況來觀察，如圖所示。纖維與外加載荷方向呈小角度時，纖維發(fā)生斷裂(圖中A處)，說明此纖維已承受了較大的載荷，文獻(xiàn)研究表明，呈小角度的纖維在拉伸過程中承受拉應(yīng)力，當(dāng)纖維承受的應(yīng)力超過其斷裂強(qiáng)度時，發(fā)生斷裂，當(dāng)纖維與外加載荷呈較大角度特別是垂直時，纖維并不發(fā)生斷裂，因?yàn)槠湓陂L度方向承受壓應(yīng)力作用，而只有少量的粗大纖維縱向開裂(如圖處)，這是由于粗大纖維橫向強(qiáng)度低所致。
3A1203復(fù)合材料基體合金中Mg元素與纖維反應(yīng)，形成反應(yīng)結(jié)合，在界面生成MgA1z04反應(yīng)產(chǎn)物，纖維基體界面結(jié)合強(qiáng)度高，界面能很好地起到傳遞載荷作用。因而，圖中各個取向的纖維與基體界面均觀察不到界面裂紋。圖為3A1203復(fù)合材料的宏觀拉伸斷口形貌，可見纖維與基體仍較牢固地結(jié)合，纖維剝落與拔出現(xiàn)象較少。拉伸過程中另一裂紋源是基體開裂，不僅因?yàn)槔w維端部應(yīng)力集中引起與外載方向呈較大角度纖維前端基體開裂(圖中C處)，也出現(xiàn)在遠(yuǎn)離纖維基體中開裂(圖中D處)，這說明在發(fā)生纖維斷裂的同時基體也因承受較大載荷而開裂，因而在圖中纖維之間基體表現(xiàn)為少量的撕裂棱和解理小平面。而不像弱界面結(jié)合的3A1203復(fù)合材料的拉伸斷口上纖維與基體界面邊緣處基體隆起的現(xiàn)象。
從大量的觀察可以發(fā)現(xiàn)裂紋萌生后沿垂直外載方向擴(kuò)展，擴(kuò)展裂紋前端也因應(yīng)力集中而引起新的與外載呈小角度纖維開裂(圖中E處)；也能沿大角度纖維面擴(kuò)展(圖中F處)。多個裂紋相互連接，直到復(fù)合材料整體斷裂。宏觀形貌上反映斷口與拉伸方向垂直，斷口較為平整。
Jackson等研究短纖維定向排布的復(fù)合材料，認(rèn)為纖維與外加載荷呈小角度時，復(fù)合材料強(qiáng)度由纖維斷裂控制；中等角度時，復(fù)合材料強(qiáng)度由界面切變控制；大角度時，復(fù)合材料強(qiáng)度由基體或界面開裂控制。但對于隨機(jī)取向短纖維復(fù)合材料，其各角度纖維都存在，其斷裂過程與定向排布纖維復(fù)合材料有大的差異。從前面對3A1203復(fù)合材料斷裂機(jī)制分析可知，由于界面結(jié)合強(qiáng)，界面開裂現(xiàn)象小，而其斷裂主要由纖維斷裂與基體開裂控制。文獻(xiàn)研究表明，隨機(jī)取向復(fù)合材料中纖維只有在與外載方向小于某一角度時，才受拉應(yīng)力作用。確切地說，對于纖維強(qiáng)度高、界面結(jié)合強(qiáng)的復(fù)合材料，應(yīng)該是受拉應(yīng)力作用的纖維和基體才控制復(fù)合材料的斷裂。
定義受拉應(yīng)力作用的纖維所占體積分?jǐn)?shù)為有效體積分?jǐn)?shù)。對于擠壓鑄造法得到的復(fù)合材料，纖維呈二維平面隨機(jī)分布，二維隨機(jī)分布復(fù)合材料有效體積分?jǐn)?shù)以下式表示L91。
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