WCp含量對粉末冶金Cu/WCp復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響

張玉波,郭榮鑫,2,夏海廷,2,顏 峰,2,林志偉，2

(1昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500；2昆明理工大學(xué) 云南省先進(jìn)材料力學(xué)行為與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500)

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WCp含量對粉末冶金Cu/WCp復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響

張玉波1,郭榮鑫1,2,夏海廷1,2,顏 峰1,2,林志偉1，2

(1昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500；2昆明理工大學(xué) 云南省先進(jìn)材料力學(xué)行為與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500)

通過粉末冶金熱壓燒結(jié)法制備高壓電觸頭Cu/WCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，研究WCp顆粒含量(15%和3%,體積分?jǐn)?shù)，下同)對Cu/WCp復(fù)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，并結(jié)合SEM進(jìn)行斷口分析；利用原位SEM疲勞裂紋觀測系統(tǒng)原位觀察微裂紋萌生，分析顆粒對裂紋擴(kuò)展路徑的影響機(jī)制。結(jié)果表明：在相同應(yīng)力強(qiáng)度因子幅(ΔK)下WCp含量為15%的Cu/WCp的疲勞裂紋擴(kuò)展速率大于WCp含量為3%的復(fù)合材料；顆粒含量的增加并沒有提高復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth，這主要是因?yàn)轭w粒和基體的界面屬于弱界面；在疲勞過程中顆粒脫粘形成裂紋源，不同脫粘微裂紋連接長大形成主裂紋是Cu/WCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞損傷形式；當(dāng)主裂紋尖端和顆粒WCp相互作用時(shí)裂紋基本沿著顆粒界面往前擴(kuò)展；復(fù)合材料的斷裂模式從WCp低含量3%時(shí)的顆粒脫粘-裂紋在基體里穿晶斷裂，過渡為WCp高含量15%時(shí)顆粒脫粘-基體被撕裂為主。

Cu/WCp復(fù)合材料;體積分?jǐn)?shù);疲勞裂紋擴(kuò)展;原位SEM；界面脫粘；斷裂機(jī)制

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料兼有金屬基體的良好韌性和顆粒增強(qiáng)體的高強(qiáng)度、高模量、高硬度等優(yōu)勢[1]，已得到廣泛的工程應(yīng)用。銅基體WCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料在繼電器和開關(guān)觸頭材料、電火花加工(EDM)電極、電弧尖端等領(lǐng)域均具有極大的工程應(yīng)用前景[2]。國內(nèi)外圍繞WCp顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備以及材料力學(xué)性能方面做了大量的研究[2,3]。

疲勞破壞是結(jié)構(gòu)材料的主要破壞形式之一。近年來，關(guān)于材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為已有大量的研究成果[4-17]。增強(qiáng)相的加入以及顆粒含量的變化對材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響引起了研究者們的廣泛關(guān)注。Sugimura等[11]和Wang等[12]分別研究了顆粒體積分?jǐn)?shù)對SiCp/Al，TiB2/A356 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的影響，文中認(rèn)為復(fù)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率相比于基體材料要快且隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而加快，這是因?yàn)閺?fù)合材料中增強(qiáng)顆粒的斷裂導(dǎo)致抗裂紋擴(kuò)展能力降低。Llorca等[5]和 Yang等[15]則發(fā)現(xiàn)粉末冶金法制備的SiCp/2618Al合金和TiB2/Fe顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料由于顆粒的加入提高了裂紋擴(kuò)展門檻值，在近門檻值區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率要慢于基體材料，但隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的提高，裂紋擴(kuò)展速率增大要快于基體材料，且最終的斷裂韌度要低于基體材料[5]。李微等[8]和Gasem[16]分別對顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料SiCp/Al-7Si以及Al2O3/6061Al進(jìn)行相關(guān)研究，得出的結(jié)論是疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨顆粒含量的增大而減小，原因是顆粒的加入既讓裂紋擴(kuò)展路徑變得較曲折，也增加了裂紋面的粗糙程度。粗糙度引起的裂紋閉合效應(yīng)降低了裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力，從而降低了裂紋擴(kuò)展速率。

綜上，顆粒的加入及顆粒含量的變化對復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響是不可忽略的。但是不同的研究者對不同的材料得出的結(jié)論都不盡相同。這主要是因?yàn)椴煌闹苽涔に?，不同的?fù)合材料，增強(qiáng)顆粒對復(fù)合材料的疲勞行為的影響機(jī)制是十分復(fù)雜的；同時(shí)研究WCp含量對Cu/WCp復(fù)合材料的疲勞行為以及結(jié)合原位掃描電鏡研究復(fù)合材料疲勞損傷機(jī)制的相關(guān)報(bào)道也比較有限。本工作研究了不同WCp顆粒含量下(15%和3%，體積分?jǐn)?shù)，下同)Cu/WCp復(fù)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，并對疲勞斷口進(jìn)行SEM分析，然后對含量為3%的Cu/WCp復(fù)合材料進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展SEM原位觀測，旨在分析顆粒含量對增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響以及影響機(jī)制，為Cu/WCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備以及應(yīng)用提供一定實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)原料為200目樹枝狀Cu粉和粒徑為6μm不規(guī)則WCp粉末，燒結(jié)溫度950℃，WCp顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為15%和3%(下面將以Cu/WCp/15p 和Cu/WCp/3p分別代表兩種顆粒體積分?jǐn)?shù)為15%和3%的復(fù)合材料)。將粉料按配比放入球磨罐中，采用行星式球磨混料機(jī)混料?；旌虾蠓勰┰谑＞咧袖伔鄢尚?，并在真空熱壓氣氛下燒結(jié)。將燒結(jié)的毛坯用線切割加工出啞鈴狀拉伸和單邊缺口疲勞板狀試件。試件表面先用金相砂紙逐級打磨至無明顯劃痕，再進(jìn)行拋光至鏡面以便顯微觀測裂紋長度。靜態(tài)力學(xué)性能在WDW-20微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示，可以看出，顆粒的加入提高了材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但是材料的伸長率卻大幅下降。

表1 Cu/WCp復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of Cu/WCp composite

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

疲勞裂紋擴(kuò)展測試在MTS 810疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試系統(tǒng)見圖1，本工作采用的是單邊缺口拉伸試件(詳見圖2中的S1)，用電火花線切割沿試件寬度方向加工出1.5mm缺口以便裂紋監(jiān)測。裂紋長度的測量采用M75長焦距顯微鏡進(jìn)行在線觀察與測量。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6398-2000預(yù)制長度約為0.5mm的疲勞裂紋，然后采用降K法測門檻值，通過逐級降低循環(huán)載荷幅值，使疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN=1×10-7mm/cycle時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子即可定義為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth。當(dāng)達(dá)到門檻值條件后在測門檻值最后一級循環(huán)載荷Pith的基礎(chǔ)上增加5%作為恒應(yīng)力控制增K裂紋擴(kuò)展測試的循環(huán)載荷Pmax，應(yīng)力比為0.1，頻率10Hz，載荷波形是正弦波。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后借助掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌特征，分析復(fù)合材料疲勞損傷斷裂機(jī)制。

疲勞裂紋擴(kuò)展原位SEM觀測實(shí)驗(yàn)采用SEM-SERVOPULSER試驗(yàn)機(jī)，其SEM腔體里配備了液壓伺服疲勞加載系統(tǒng)。該裝置的最大量程是10kN，位移范圍是±25mm。原位疲勞裂紋擴(kuò)展試樣的制取要經(jīng)過兩步：首先，加工出單邊缺口拉伸試樣S1，在MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋；其次，將帶有預(yù)制裂紋的疲勞試樣S1再進(jìn)行切割加工成原位疲勞試樣S2。試樣表面經(jīng)過逐級打磨拋光后，在SEM下可以發(fā)現(xiàn)原位疲勞試件S2中帶有一條完整的預(yù)制裂紋(見圖2)。原位疲勞測試在SEM腔體里的液壓疲勞系統(tǒng)中進(jìn)行，在不同的循環(huán)次數(shù)下暫停實(shí)驗(yàn)并通過SEM記錄當(dāng)前時(shí)刻的疲勞裂紋，用SEM自帶的測量軟件測量裂紋擴(kuò)展增量。疲勞測試采取荷載控制，最大疲勞載荷是360N，應(yīng)力比0.1，頻率是5Hz。

圖1 疲勞裂紋擴(kuò)展測試系統(tǒng)Fig.1 Fatigue crack growth observation system

圖2 疲勞試樣和制樣過程Fig.2 Fatigue specimen and sample preparation process

1.3 數(shù)據(jù)分析

疲勞裂紋的擴(kuò)展行為通過疲勞裂紋擴(kuò)展速率定量分析，疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN采用割線法計(jì)算：

(1)

式中：ai是在循環(huán)數(shù)為Ni時(shí)的裂紋長度。相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅是用裂紋長度ai計(jì)算，單邊缺口拉伸試件的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍參照 HB 7680-2000，采用下式計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK：

(2)

式中：ΔP是載荷范圍；B為試件厚度；W為試件寬度。

2 結(jié)果及討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

圖3分別為復(fù)合材料Cu/WCp/15p和Cu/WCp/3p的SEM微觀形貌。從圖3可以看到，復(fù)合材料顆?？傮w分布均勻, WCp顆粒平均粒徑大概為 0.5～2μm，而初始顆粒平均粒徑為6μm，這說明球磨對顆粒和基體均有明顯的破碎和細(xì)化。對比兩種復(fù)合材料的局部特征可以發(fā)現(xiàn)，碳化鎢基本上均勻地分散在整個基體銅里。顆粒體積含量為3%時(shí)，顆粒與相鄰顆粒間距較含量為15%的要大很多，在整個基體里周圍均被基體包裹完整，而Cu/WCp/15p的微觀形貌中顆粒較密集顆粒與相鄰顆粒的間距小。

圖3 Cu/WCp/15p(a)及Cu/WCp/3p(b)的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 SEM photos of Cu/WCp/15p (a) and Cu/WCp/3p (b)

2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展

圖4描述了不同顆粒含量15%和3%下復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK的關(guān)系。由圖4可知，裂紋擴(kuò)展階段大致分為3個階段：近門檻擴(kuò)展階段、線性擴(kuò)展階段和快速擴(kuò)展階段，線性擴(kuò)展階段用Paris公式進(jìn)行擬合，具體擬合結(jié)果詳見圖5。在門檻值附近Cu/WCp/15p的裂紋擴(kuò)展速率略快于Cu/WCp/3p，而隨著ΔK的增大，Cu/WCp/15p的裂紋擴(kuò)展速率明顯快于Cu/WCp/3p，這說明WCp含量對Cu/WCp裂紋擴(kuò)展速率的影響在整個裂紋擴(kuò)展階段均有影響，WCp含量的增大加速了疲勞裂紋擴(kuò)展速率，尤其是在Paris擴(kuò)展和快速擴(kuò)展階段，這說明隨著WCp含量的增大反而降低了材料的裂紋擴(kuò)展抗力。

圖4 復(fù)合材料的da/dN和ΔK的關(guān)系Fig.4 Relationships between da/dN and ΔK of composites

2.2.1 近門檻值裂紋擴(kuò)展

復(fù)合材料Cu/WCp/15p和Cu/WCp/3p的應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值分別為4.04MPa·m1/2和3.99MPa·m1/2。這說明Cu/WCp的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth對顆粒含量的增加并不敏感。Gasem[16]對粉末冶金制備的亞微米Al2O3顆粒增強(qiáng)6061鋁合金的研究也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)論。同時(shí)Mason 和 Ritchie[6]對粉末冶金 Al2124/SiC 復(fù)合材料的研究也發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)對ΔKth的影響也不明顯。相反，顆粒的加入?yún)s加大了近門檻值區(qū)域復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展速率。

根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值[18]的物理公式

(3)

式中：Y(α)為裂紋形狀因子；Δσc為疲勞極限；a0為裂紋半長?？梢园l(fā)現(xiàn)門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔKth的大小主要由Δσc決定。圖5為在原位疲勞過程中利用SEM觀察到的典型的顆粒和基體之間的界面脫粘，根據(jù)圖5可以看到，WCp顆粒P和基體在循環(huán)載荷作用下界面首先脫粘，然后再沿垂直于載荷的基體方向擴(kuò)展形成基體裂紋。這說明WCp顆粒和基體Cu之間的界面結(jié)合較弱，界面結(jié)合強(qiáng)度σibs(假設(shè)顆粒和基體的粘接強(qiáng)度為σibs)決定了復(fù)合材料疲勞極限Δσc的大小。σibs的大小并不隨顆粒含量的增大而變化，所以應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值ΔKth的大小和顆粒體積分?jǐn)?shù)的多少并沒有關(guān)系。此外，顆粒含量越多帶來的缺陷以及顆粒脫粘越多，導(dǎo)致在近門檻值區(qū)域Cu/WCp/15p的裂紋擴(kuò)展速率要稍高于Cu/WCp/3p。

圖5 顆粒和基體界面脫粘SEM圖Fig.5 SEM photo of interfacial debonding between particle and matrix

2.2.2 Paris區(qū)域裂紋擴(kuò)展

為了定量地描述顆粒含量對裂紋擴(kuò)展速率的影響，采用Pairs 公式：

(4)

對圖4 da/dN-ΔK關(guān)系曲線中的第二階段進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖6。Cu/WCp/15p與Cu/WCp/3p相應(yīng)的da/dN-ΔK數(shù)學(xué)表達(dá)式分別見式(5)與式(6)。從擬合結(jié)果來看，Cu/WCp/15p的材料常數(shù)C為7.26×10-9，m為4.53；而Cu/WCp/3p的材料常數(shù)C為4.12×10-9，m為4.51。這說明顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，Paris公式中的常數(shù)項(xiàng)C和指數(shù)項(xiàng)m越大，即顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，Cu/WCp的裂紋擴(kuò)展速率越大。

圖6 da/dN和ΔK的Paris線性段擬合Fig.6 Paris linear segment fitting of da/dN and ΔK

(5)

(da/dN)3p=4.12×10-9(ΔK)4.51

(6)

2.3 原位疲勞測試

2.3.1 微裂紋萌生

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞裂紋萌生和小裂紋擴(kuò)展對顆粒的加入特別敏感，Chen等[19]在夾雜物、晶界和晶粒取向?qū)?524-T3鋁合金疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展行為中發(fā)現(xiàn)：疲勞裂紋萌生、形核于顆粒界面和大角度晶界處，粗顆粒大幅加大了局部裂紋擴(kuò)展速率。圖7為不同位置處微裂紋萌生SEM圖。根據(jù)圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，Cu/WCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞裂紋萌生于顆粒A和基體的界面處，脫粘裂紋在循環(huán)載荷作用下沿垂直載荷方向擴(kuò)展，當(dāng)經(jīng)歷了16382個循環(huán)之后發(fā)現(xiàn)顆粒B界面處有脫粘裂紋萌生，再經(jīng)過26764個循環(huán)之后顆粒B的脫粘裂紋逐漸長大并和顆粒A的脫粘裂紋呈45°連接匯合。圖7(b)可以看到顆粒含量較多，顆粒與顆粒間距較小，微裂紋萌生于顆粒A和B的界面，經(jīng)過16684個循環(huán)之后連接起來且沿著基體擴(kuò)展，隨著循環(huán)次數(shù)的增加再經(jīng)過2953個循環(huán)之后顆粒C和D界面處也萌生出新的界面裂紋，并有和原來的裂紋連接的趨勢。整個過程揭示了Cu/WCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞裂紋萌生和連接的機(jī)制。

2.3.2 顆粒和裂紋的相互作用

圖8是裂紋擴(kuò)展路徑上裂紋和顆粒相互作用的典型例子。圖8(a)為裂紋擴(kuò)展路徑和顆粒群P1的相互作用，當(dāng)經(jīng)歷41360個循環(huán)之后裂紋沿著顆粒群分布方向往前擴(kuò)展導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑偏折。其次在P2位置處發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑較大的顆粒P2 對裂紋擴(kuò)展路徑也影響特別大(見圖8(b))，在顆粒群P1前裂紋尖端出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，說明裂紋有兩種往前擴(kuò)展的趨勢，但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，靠近顆粒P2的裂紋分支逐漸往前擴(kuò)展形成主裂紋，而另一分支裂紋擴(kuò)展停止,當(dāng)裂紋尖端和顆粒P2相遇時(shí)，裂紋又發(fā)生小角度偏折偏向基體和顆粒P2的界面，沿著界面擴(kuò)展直至穿越整個顆粒粒徑范圍，整個過程經(jīng)歷了8804個循環(huán)?？梢园l(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑對WCp顆粒的加入特別敏感，基體和顆粒的界面結(jié)合較弱，在整個裂紋尖端塑性區(qū)rp內(nèi)裂紋穿過顆粒和基體界面時(shí)所需的能量較小，弱界面結(jié)合并不利于提高材料的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力。

圖7 不同位置處微裂紋萌生SEM圖 (a)位置1；(b)位置2Fig.7 SEM photos of micro crack initiation (a)location 1；(b)location 2

圖8 顆粒對裂紋擴(kuò)展路徑的影響 (a)顆粒群P1；(b)大顆粒P2Fig.8 Effect of particles on crack growth path (a)particles distribution P1；(b)large size particles P2

2.3.3 疲勞小裂紋擴(kuò)展速率

裂紋擴(kuò)展速率和小裂紋擴(kuò)展長度之間的關(guān)系見圖9。小裂紋長度從預(yù)制裂紋尖端開始計(jì)算，從圖9中可知，小裂紋擴(kuò)展速率波動較大，分散性也較大，尤其在裂紋長度150μm區(qū)域以內(nèi)。隨著裂紋長度的增加，裂紋擴(kuò)展速率波動性趨于穩(wěn)定。通常認(rèn)為小裂紋擴(kuò)展速率的波動主要是因?yàn)樾×鸭y早期的擴(kuò)展易受到材料的微觀結(jié)構(gòu)、晶界或者夾雜物等的影響，而當(dāng)小裂紋長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料特征尺度之后，材料微觀結(jié)構(gòu)對裂紋擴(kuò)展速率的影響逐漸減弱，使得裂紋擴(kuò)展速率趨于穩(wěn)定。Cappelli等[20]在研究7075-T7351鋁合金的疲勞行為中發(fā)現(xiàn)這個臨界尺寸大概是15個晶粒尺寸的大小，約為 330μm。

圖9 疲勞小裂紋擴(kuò)展速率和裂紋長度的關(guān)系Fig.9 Relationship between fatigue crack growth rate and crack length

2.4 疲勞斷口

圖10是掃描電鏡下的疲勞斷口形貌分析。從圖10(a)和(b)可以看到，Cu/WCp/15p的斷口有較明顯的基體撕裂脊并伴隨著少量韌窩和大量的孔洞，這說明顆粒和基體的脫粘以及基體被撕裂是Cu/WCp/15p的主要失效模式，這種失效模式的主要原因是WCp顆粒含量大，顆粒與顆粒間距較小，顆粒脫粘的微裂紋與相鄰脫粘微裂紋間的基體銅較少，循環(huán)載荷作用下較小的顆粒間距較容易被撕裂。究其原因主要是基體銅和WCp顆粒的材料性能相差較大，潤濕性較差，在受力時(shí)顆粒與基體的彈塑性嚴(yán)重不匹配，同時(shí)界面結(jié)合強(qiáng)度較低從而導(dǎo)致基體和顆粒在疲勞載荷作用下脫粘形成微裂紋，基體塑性變形嚴(yán)重從而形成大量的孔洞。從圖10(b)中可以看到基體和顆粒被拉開形成孔洞，顆粒A與顆粒B之間的基體被撕裂，在顆粒B的界面處有雜質(zhì)(箭頭所示)的出現(xiàn)，雜質(zhì)的出現(xiàn)也會降低界面強(qiáng)度。從圖10(c)中可以發(fā)現(xiàn)，Cu/WCp/3p的斷口的撕裂脊較少，但在斷口中發(fā)現(xiàn)有間斷不連續(xù)的片狀穿晶斷裂面；據(jù)圖10(d)局部放大分析可以發(fā)現(xiàn)在顆粒A處也可以看到顆粒脫粘(箭頭所示)形成的微孔洞，在顆粒含量少的情況下顆粒間距較大，顆粒脫粘形成微裂紋之后，微裂紋之間在循環(huán)載荷作用下要穿過較大區(qū)域的顆粒間距才能夠相互連接起來，疲勞裂紋很大程度上是在基體中擴(kuò)展?；w銅中的裂紋擴(kuò)展主要為穿晶、沿晶以及混合擴(kuò)展3種形式，斷口中出現(xiàn)的片狀斷裂面則主要由穿晶擴(kuò)展形成的。在這些片狀面內(nèi)能明顯看到因疲勞而產(chǎn)生的疲勞輝紋, 疲勞輝紋在不同的晶粒內(nèi)方向不同,說明在顆粒貧瘠區(qū)域(顆粒與相鄰顆粒間距內(nèi))裂紋以穿晶斷裂為主[17,21]。

值得注意的是不管顆粒含量多少斷口均有韌窩和顆粒脫粘的情況出現(xiàn)，但是斷口處并沒有發(fā)現(xiàn)顆粒斷裂的情況，這也說明基體和顆粒間的界面結(jié)合比較脆弱。由于實(shí)驗(yàn)中所用WCp顆粒沒有經(jīng)過表面修飾，與Cu基體的潤濕性較差，復(fù)合材料中WCp和Cu之間屬于弱界面結(jié)合[22]。當(dāng)裂紋前沿遇到顆粒時(shí)顆粒的脫粘使得裂紋較容易沿著顆粒界面往前擴(kuò)展， 隨著顆粒含量的增加，這樣的弱界面會隨之增加，界面結(jié)合不牢會導(dǎo)致微孔洞大量萌生，微孔洞之間的連接、長大加速了疲勞裂紋擴(kuò)展。

3 結(jié)論

(1)粉末冶金燒結(jié)制備的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料Cu/WCp/3p的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力在整個應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍內(nèi)都要優(yōu)于Cu/WCp/15p；復(fù)合材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增大變化并不明顯。隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加，顆粒含量越多疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快。

(2)粉末冶金制備的Cu/WCp的基體和顆粒間的界面屬于弱界面結(jié)合，在循環(huán)載荷作用下的界面脫粘形成微裂紋，微裂紋沿垂直于荷載方向基體擴(kuò)展和連接形成主裂紋，裂紋路徑對顆粒的加入特別敏感，顆粒的存在會改變裂紋的擴(kuò)展路徑，顆粒含量越多微裂紋的連接發(fā)展得越快。疲勞小裂紋擴(kuò)展速率波動較大，分散性也較大，尤其在裂紋長度150μm區(qū)域以內(nèi)。隨著裂紋長度的增加，裂紋擴(kuò)展速率波動性趨于穩(wěn)定。

(3)由于顆粒含量較少，Cu/WCp/3p的疲勞斷口主要由基體主導(dǎo)，裂紋在基體擴(kuò)展時(shí)以穿晶斷裂為主且有較明顯的疲勞輝紋形成，其疲勞失效模式以顆粒脫粘-裂紋在基體里穿晶斷裂為主；而Cu/WCp/15p的斷口以顆粒脫粘為主導(dǎo)，顆粒脫粘和基體被撕裂是主要特征，其疲勞失效模式為顆粒脫粘-基體撕裂破壞。

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(本文責(zé)編：齊書涵)

Effect of WCpContent on Fatigue Crack GrowthBehavior of Powder Metallurgy Cu/WCpComposites

ZHANG Yu-bo1,GUO Rong-xin1,2,XIA Hai-ting1,2,YAN Feng1,2,LIN Zhi-wei1，2

(1 Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2 University Key Laboratory of Advanced Material Mechanics Behavior and the Micro Structure Design in Yunnan Province,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

The high voltage electric contact Cu/WCpparticles reinforced composite material was prepared by powder metallurgy hot pressing sintering method. The effect of WCpparticle contents (15% and 3%,volume fraction, the same as below) on the fatigue crack growth behavior of Cu/WCpcomposite was studied and the fracture surface was analyzed by SEM. The observation of the fatigue crack initiation and the influence mechanism of particle on fatigue crack growth was carried out byin-situscanning electron microscopy(SEM). Results show that the fatigue crack growth rate of Cu/WCp/15p composites is faster than that of Cu/WCp/3p composites at the same stress intensity factor range (ΔK); with the increase of WCpcontent, the threshold stress intensity factor range ΔKthis not enhanced because the interface of the particles and the matrix are weak. From the results ofin-situSEM observation fatigue crack growth can be seen that the crack source is formed due to the particle debonding during fatigue process, different debonding microcracks connect and grow to form main cracks is the fatigue damage mode of Cu/WCpparticle reinforced composites. When the main crack tips encounter WCpparticles, cracks propagate forward along the particle interface. The fractographies show that the fracture mode of the composites is from particle debonding-transgranular fracture in matrix at the low content 3% to particle debonding-tear in matrix at the high content 15%.

Cu/WCpcomposite;volume fraction;fatigue crack growth;in-situSEM;interfacial debonding;fracture mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001530

TG113

A

1001-4381(2017)01-0085-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11362007,11462009)

2015-12-19；

2016-10-08

郭榮鑫(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)閾p傷與斷裂力學(xué)、實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)，聯(lián)系地址：昆明市呈貢大學(xué)城景明南路727號昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院(650500)，E-mail: guorx@kmust.edu.cn