● 摘要
SiCp/Al复合材料具有高比强度、高比刚度、耐磨性好、抗疲劳性好，低热膨胀系数等优良的力学性能，在国外已经得到了广泛的应用。但国内目前只作为功能材料应用在电子封装等少数领域，结构上应用极少，主要是因为对其力学性能了解的比较少，因此对该材料的力学特性研究有重要的意义。采用力学试验与数值模拟相结合的方法，通过对北京航空材料研究院制备的高体积分数（55％）无压熔体浸渗SiCp/Al复合材料进行了拉伸、压缩、三点弯曲、剪切和疲劳等一系列试验研究，取得了以下成果：一. 试验发现高体积分数SiCp/Al复合材料的应力－应变曲线是非线性的，没有明显的线弹性和屈服阶段。在一定应力水平下卸载路径为线弹性段，再次加载时与前次卸载路径基本重合，成为一种伪线弹性段，性能较为稳定，不超过该应力水平时可在其上进行多次反复加卸载，不会改变该伪线弹性段的弹性模量。当应力水平超过前次时, 曲线产生拐点, 又开始非线性上升, 该特性类似于塑性材料的形变强化，可以称之为伪塑性。拉伸强度试验表明，在低于强度极限下的较高应力水平下的反复卸载－加载过程，基本不影响高体积分数SiCp/Al复合材料的拉伸强度。结合试验现象和断口分析，认为在受到外载荷下，材料内部分布不均匀的铝基体产生渐进式的局部微屈服，从而导致了伪线弹性和伪塑性现象的产生。对于拉伸所产生的残余应变大于压缩所产生的残余应变的试验现象，通过对材料细观金相组织进行观察，发现SiCp/Al复合材料内部存在大量的微缺陷，结合熔体浸渗工艺能导致热残余应变的特点，认为是产生该现象的主要原因。二. 在连续介质细观力学基础上，本文提出一种三维梭形增强体有限元模型。模型分为单胞模型和组合单胞模型，既可以单胞研究，也可以组合研究。通过对弹性模量的试算证明模型准确有效，该模型能够有效模拟65％以下体积分数SiCp/Al复合材料力学性能。拉伸强度计算结果表明，基体屈服是导致高体积分数SiCp/Al复合材料破坏的主要原因。可以用来解释反复卸载－加载过程不影响其拉伸强度的试验现象。三. 对典型微缺陷进行了数值模拟分析，发现孔洞和界面脱粘都能使材料的承载能力降低，其中界面脱粘的影响更大。微缺陷的相对位置也对材料性能有较大影响，孔洞和界面脱粘靠近时，比两者远离时的影响更大。界面脱粘的比例越大，则材料切线模量下降也越多，认为材料切线模量递减的应力－应变曲线和内部界面脱粘比例增大有关。本论文所建立的数值模型能真实模拟SiCp/Al复合材料的力学行为，研究结果对其材料设计、工艺改进及其工程应用具有一定的参考价值。