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1676 NCCM一13复合材料——成本、环境与产业化
碳化硅骨架/锆基非晶合金复合材料的
动态力学性能研究
刘伟华1王鲁1程焕武1张海峰2王爱民2李树奎1
(1北京理工大学材料科学与工程学院.北京,100081
2中国科学院金属研究所,沈阳,110015)
摘要研究SiC骨架/zr基非晶合金复合材料的应力一应变响应和动态
断裂特征及断口形貌,利用Hopkinson压杆冲击加载装置和扫描电子显微镜
(SEM),对圆柱形复合材料试样进行了相关的研究。研究结果表明:SiC骨架
/zr基非晶合金复合材料的动态压缩强度随打击压力的增大而递增,当打击压
力为0.6MPa时,复合材料的动态压缩强度为855MPa;断裂表面呈现典型的结
晶状断口,断裂模式为脆性断裂和劈裂混合破坏模式;非晶基体在动态压缩条
件下出现了显著的热软化和熔化特征。
关键词 碳化硅骨架/锫基非晶合金复合材料动态性能动态断裂断口形貌
块体非晶合金是20世纪90年代发现的一类具有很强玻璃形成能力的合金,它发生玻璃
02
转变的临界冷却速率可以降低到1 K/s以下,使得普通的工艺方法(如金属模铸造等)即
可以获得较大三维尺寸的块体非晶态合金。由于块体非晶合金主要特点是原子的三维空间呈
拓扑无序状的排列,结构上没有晶界与堆垛层错等缺陷存在,并且以金属键作为其结构特征,
在几个晶格常数范围内保持短程有序。所以具有晶态材料所无法比拟的优异特性,比如高强
度、高硬度、高弹性、优异的磁性性能、延展性以及耐腐蚀性能等”J。
块状非晶合金在表面或界面具有非常强的抑制结晶形核能力。其熔点相对较低,所以特
别适合和其他材料复合,制备性能更好的非晶基复合材料。近几年,美国、日本、韩国、俄
罗斯、德国、英国等都投入了大量的经费进行块体非晶复合材料应用的研究及开发““。
目前关于陶瓷骨架/非晶合金复合材料的研究还未见报道。由于其动态特性的研究对于
材料性能的表征与工程应用有重要的意义,所以作者针对制备的碳化硅骨架/锆基非晶合金
复合材料,研究了该复合材料的动态力学性能和动态断裂特征及断口形貌。
I研究方法
将SiC骨架与zr基非晶合金复合,制备出尺寸为≯6衄×5mm的圆柱形复合材料棒料
(如图I(a)所示)。图I(b)是复合材料的金相照片,图中的黑色部分为SiC骨架,白色
部分为Zr基非晶合金。采用Hopkinson压杆装置进行动态力学性能研究,获得动态压缩应力
一应变曲线;采用相关微观分析系统(SEM等)对材料的微观结构和断裂特性进行分析,获
得典型断裂模式。
M复合材料力学分析与设计 1677
(a)宏观 (b)傲观(×5)
图1 SiC骨架/Zr基非晶复合材料
2结果与分析
图2是所制备的SiC骨架/Zr基非晶复合材料的动态压缩应力一应变曲线。曲线表
明,所制备材料的动态压缩强度随打击压力的增大而递增,在打击压力为0.6MPa时,强
度为885MPa。
该曲线的强度峰值处的变化特征是由非晶基体材料的低熔点和复合材料组成结构决定
的。在试验加载过程中发现非晶基体具有显著的热软化和熔化特征,这是因为非晶基体的熔
点较低,在加载过程中会产生大量的热使温度急剧升高,从而使非晶基体熔化,导致其保持
复合材料结构整体强度下降,使应力一应变曲线较迅速的衰减。试验过程中发现在Hopkinson
杆的端部残留有熔化的非晶基体材料,这说明熔化的材料在冷却过程中与Hopkinson杆端部
紧密结合。
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04MPa
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