晶須對(duì)鋁基復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為的影響.pdf

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1、第21卷第4期中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)Vol121No142001年8月JournalofChineseSocietyforCorrosionandProtectionAug12001晶須對(duì)鋁基復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為的影響胡津羅仁勝姚忠凱(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院433信箱哈爾濱150001)摘要:采用雙懸臂梁試驗(yàn),研究了碳化硅晶須增強(qiáng)純鋁基及碳化硅晶須增強(qiáng)2024鋁基復(fù)合材料和2024鋁合金在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕(SCC)開(kāi)裂行為,探討了晶須對(duì)復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為的影響.結(jié)果表明,晶須的存在改變了材料的應(yīng)力腐蝕特性,晶須在復(fù)合材料應(yīng)力腐

2、蝕開(kāi)裂過(guò)程中具有促進(jìn)和阻礙應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的雙重作用.關(guān)鍵詞:碳化硅晶須鋁基復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂中圖分類(lèi)號(hào):TG151文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100524537(2001)04202402051前言鋁合金中加入晶須,不僅改善了合金的室溫和高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度,提高了材料的彈性模量、耐磨性,同時(shí)降低了材料的熱膨脹系數(shù),因而使得制備的復(fù)合材料具有一系列優(yōu)異性[1][2～5]能.目前,晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)研究已得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視.有關(guān)晶須的[6～9]存在對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能、界面結(jié)構(gòu)和基體微觀(guān)組織等方面的影響已有詳細(xì)的研究,而有關(guān)晶須對(duì)復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行

3、為影響卻少見(jiàn)報(bào)道,為此本工作選擇碳化硅晶須增強(qiáng)純鋁(SiCw/p-Al)及2024鋁(SiCw/2024)復(fù)合材料作為研究對(duì)象,探討晶須的存在對(duì)兩種復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為的影響.2實(shí)驗(yàn)方法采用擠壓鑄造方法制備SiC晶須增強(qiáng)純鋁和2024鋁基復(fù)合材料,晶須的體積分?jǐn)?shù)為[10]20%.利用雙懸臂梁(DCB)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn).作為對(duì)比,對(duì)采用同樣方法制備的2024鋁合金也進(jìn)行了應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn).腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl溶液,試驗(yàn)過(guò)程中定期更換腐蝕介質(zhì),并利用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量裂紋長(zhǎng)度,掃描電子顯微鏡觀(guān)察斷口形貌.3試驗(yàn)結(jié)果圖1是純鋁基復(fù)合材料的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展

4、速率da/dt與裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI的關(guān)系曲線(xiàn),可見(jiàn),其da/dt～KI曲線(xiàn)具有完整的三個(gè)階段:即Ⅲ階段的快速擴(kuò)展期,Ⅱ階段-11的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展期及Ⅰ階段的緩慢擴(kuò)展期.復(fù)合材料穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展期的裂紋擴(kuò)展速率約為6.7×101/2m/s,應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC約為12.1MPa·m.普遍認(rèn)為,純鋁在3.5%NaCl[11]溶液中不存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象,然而增強(qiáng)體的存在,卻顯著改變了基體材料的應(yīng)力腐蝕特性,導(dǎo)致SiCw/p-Al復(fù)合材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕.圖2所示為2024鋁合金及相應(yīng)復(fù)合材料的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt與裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI的關(guān)系

5、曲線(xiàn),表明2024鋁合金及相應(yīng)的復(fù)合材料均具有明顯的應(yīng)力腐蝕特征.2024鋁合金的da/dt～KI曲線(xiàn)與常用鋁合金相同可分為兩個(gè)階段,即Ⅱ階段的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展收稿日期:2000205228;修訂日期:2000208208基金項(xiàng)目“:環(huán)境斷裂”開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助作者簡(jiǎn)介:胡津,1963年出生,女,漢族,江蘇省人,高級(jí)工程師,碩士,主要研究方向?yàn)榫ы氃鰪?qiáng)鋁復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究4期胡津等:晶須對(duì)鋁基復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為的影響241-10期及Ⅰ階段的緩慢擴(kuò)展期;其穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展期裂紋擴(kuò)展速率約為19×10m/s,臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度1/2因子約為5.5MPa

6、·m.而SiCw/2024復(fù)合材料的da/dt～KI曲線(xiàn)同純鋁基復(fù)合材料相同具-10有完整的三個(gè)階段,其穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展期的裂紋擴(kuò)展速率約為2.6×10m/s遠(yuǎn)低于基體合金,其1/2臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子約為9MPa·m,高于相應(yīng)的基體合金.晶須的存在降低了基體合金的應(yīng)力腐蝕敏感性,提高了復(fù)合材料的應(yīng)力腐蝕抗力.Fig.1CurveofstresscorrosioncrackpropagationrateFig.2Curveofstresscorrosionpropagationratevs.vs.stressintensityforSiCw/p-Alstressint

7、ensityforSiCw/2024圖3、圖4分別是兩種復(fù)合材料應(yīng)力腐蝕的微觀(guān)斷口形貌.在預(yù)制裂紋區(qū)(圖3a和圖4a)腐蝕最為嚴(yán)重,基體鋁幾乎全部被溶解掉,暴露出大量的晶須,有些晶須表面平直,說(shuō)明其周?chē)匿X已被完全腐蝕掉,還有一些晶須表面仍然被鋁所覆蓋,因此其表面凸凹不平.晶須周?chē)腫12]鋁被腐蝕程度的差別,可能是由于晶須的位向和應(yīng)力狀態(tài)不同造成的.在應(yīng)力腐蝕斷口區(qū)(圖3b、3c和圖4b),斷口表面被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋,表面可見(jiàn)到少量的晶須及顯微裂紋.由圖3b可見(jiàn),斷口上暴露的晶須均較平直,說(shuō)明其周?chē)匿X被腐蝕溶解掉了,而在晶須之間的鋁則出現(xiàn)韌窩,表明腐蝕是沿

8、著界面進(jìn)行的.在其機(jī)械斷裂區(qū)(圖3d和圖4c)可見(jiàn)許