Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料層間斷裂性能研究

王澤明，周培俊，汪恩浩，袁 丁，姜風(fēng)春，果春煥

(哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料層間斷裂性能研究

王澤明，周培俊，汪恩浩，袁 丁，姜風(fēng)春，果春煥

(哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

果春煥

金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti是采用Ti-6Al-4V箔和Al箔按照一定順序疊加后，在真空環(huán)境下熱壓燒結(jié)成由韌性金屬Ti和金屬間化合物Al3Ti組成的疊層結(jié)構(gòu)。利用ENF(End-Notch-Flexure)和MMF(Mixed-Mode-Flexure)測(cè)試方法，對(duì)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的II型及I+II型層間斷裂能、層間斷裂行為以及能量釋放率等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Ti/Al3Ti層間斷裂時(shí)，裂紋在復(fù)合材料界面處發(fā)生起裂，而在傳播過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致Al3Ti層開裂。由此可見，在實(shí)驗(yàn)過程中裂紋的表現(xiàn)形式是在Ti/Al3Ti界面及Al3Ti層中共同擴(kuò)展；I+II型層間起裂能量釋放率GI+II為46 J/m2，II型層間起裂能量釋放率GII為1453 J/m2，表明II型層間斷裂比I+II型層間斷裂更困難。關(guān)鍵詞：層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti；I+II型層間斷裂；II型層間斷裂；層間斷裂研究；層間能量釋放率

1 前 言

金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti由于其具有低密度、高比強(qiáng)度和比彈性模量，且在高溫時(shí)仍可保持足夠高的強(qiáng)度和剛度等優(yōu)異性能，使其在航空航天、艦船、地面武器裝備等領(lǐng)域受到極大的重視[1-3]。Vecchio等[4]首先在無真空條件下用Ti箔和Al箔燒結(jié)制備出了界面結(jié)合良好、無雜質(zhì)、結(jié)構(gòu)致密的Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，利用Ti的韌性大幅提高了金屬間化合物Al3Ti的室溫塑性。國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)也利用無真空燒結(jié)制備技術(shù)制備出了高性能金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti，并開展了裝甲防護(hù)性能方面的研究[5-6]。

目前，對(duì)這種Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料研究大多集中在制備工藝或斷裂失效方面[7,8]，而對(duì)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料界面方面的研究鮮見報(bào)道。本文利用真空熱壓燒結(jié)方法制備Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，并利用MMF(Mixed Mode Flexure)和ENF(End-Notch-Flexure)方法測(cè)定Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料I+II型層間混合斷裂和II型層間斷裂的能量釋放率，來探究該材料的層間裂紋擴(kuò)展方式。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 復(fù)合材料Ti/Al3Ti的制備

在ZRT-60-30型真空熱壓爐上進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)Ti/Al3Ti，選用厚度為0.60 mm的Ti-6Al-4V箔片和0.90 mm的Al箔片(純度為99.99%)為原料。試樣尺寸為100 mm(長(zhǎng))×100 mm(寬)。對(duì)金屬箔片進(jìn)行預(yù)處理，即去除其表面的氧化皮、污物等，并使其表面保持干燥。然后把Ti, Al箔片交替疊加，疊加后要保證最外層為Ti層，最后放入真空熱壓爐中，按照一定燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，具體詳見文獻(xiàn)[9]。

2.2 I+II型層間混合斷裂實(shí)驗(yàn)

對(duì)Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，采用電火花線切割加工試樣尺寸為60 mm(長(zhǎng))×10 mm(寬)×4 mm(高)，并在第3層Ti和Al3Ti的層間處預(yù)制裂紋，保證試樣預(yù)制的裂紋在試樣厚度的中間位置，試樣跨距為40 mm，加工后的I+II型層間混合斷裂試樣幾何形狀如圖1所示。

圖1 I+II型層間混合斷裂實(shí)驗(yàn)用的試樣幾何尺寸示意圖Fig.1 The specimen geometry diagram of type I+II interlaminar fracture experiment

根據(jù)試驗(yàn)過程中獲得的載荷-位移曲線，并結(jié)合式(1)[10]，可計(jì)算出層狀復(fù)合材料在受載過程中的能量釋放率：

(1)

其中P是加載應(yīng)力(N)，C為柔度(位移/應(yīng)力，δ/P)，a為裂紋長(zhǎng)度(mm)，W為試樣寬度(mm)，L為試樣跨距(mm)，GI+II為能量釋放率(J/m2)。

2.3 II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)

II型層間斷裂試樣幾何尺寸和預(yù)裂紋位置及長(zhǎng)度與I+II型層間混合斷裂實(shí)驗(yàn)一致，區(qū)別在于II型層間斷裂試樣預(yù)制的裂紋直接從試樣的一側(cè)開起，且裂紋端部與支座之間無空隙，加工后的試樣幾何尺寸如圖2。

圖2 II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)用的試樣幾何尺寸示意圖Fig.2 The specimen geometry diagram of Type II interlaminar fracture experiment

對(duì)于II型斷裂的計(jì)算能量釋放率的公式見式(2)[11,12]：

(2)

其中P是加載應(yīng)力(N)，C為柔度(位移/應(yīng)力，δ/P)，a為裂紋長(zhǎng)度(mm)，W為試樣寬度(mm)。

柔度的計(jì)算方式[13]為式(3)：

(3)

其中L為試樣跨距的一半長(zhǎng)度，Ef為彎曲模量，h為試樣厚度的一半。由公式(2)～(3)可得式(4)：

(4)

進(jìn)而計(jì)算得到II型能量釋放率表達(dá)形式，見式(5)：

(5)

2.4 不同加載速率下的I+II型層間混合斷裂實(shí)驗(yàn)及II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)

采用Instron5500R電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，載荷由2 kN的載荷傳感器輸出，撓度變形由放在加載點(diǎn)下的變形傳感器測(cè)定，載荷和撓度的變化由X-Y記錄儀記錄。在加載速率1～5 mm/min條件下，對(duì)I+II型層間混合斷裂及II型層間斷裂試樣進(jìn)行測(cè)試，并由載荷-位移曲線結(jié)合公式(1)和(5)得到相應(yīng)的I+II型及II型層間斷裂的能量釋放率。

3 結(jié) 果

3.1 載荷-位移及起裂能量釋放率

I+II型混合型斷裂試樣在加載速率為1 mm/min條件下獲得的載荷-位移曲線如圖3所示。由圖3可見，試樣受載的起始階段，隨著位移的增加，載荷不斷增加，二者呈線性關(guān)系；但當(dāng)曲線上出現(xiàn)第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，試樣開始起裂，試樣起裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的載荷約為200 N；試樣開裂后，載荷有短暫的下降，隨后又繼續(xù)增加。由獲得的載荷-位移曲線(圖3)和公式(1)，可計(jì)算得到Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的I+II型混合層間斷裂的起裂能量釋放率，I+II型混合斷裂試樣起裂時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷及能量釋放率列于表1所示。由此可見，在加載速率1 mm/min的條件下，Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料的平均起裂載荷為196 N，而能量釋放率GI+II為46 J/m2。

圖3 I+II型混合斷裂實(shí)驗(yàn)的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of I+II type mixed fracture experiment

Specimen123456AveragevalueLoad(N)204179162196219205196Displacement(mm)0.310.320.320.300.320.230.30Energyreleaserate(J/m2)50444147553746

圖4則為II型斷裂獲得的載荷-位移曲線，可見，試樣在加載速率為1 mm/min的作用下，隨著載荷的增加，位移量變大；達(dá)到最高點(diǎn)后，載荷迅速下降，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)試樣的起裂。對(duì)比圖3和4的曲線，可以看出，II型斷裂實(shí)驗(yàn)過程中試樣起裂所需載荷明顯高于I+II型混合斷裂實(shí)驗(yàn)。同樣，通過載荷-位移曲線(圖4)及公式(5)，可獲得II型斷裂實(shí)驗(yàn)?zāi)芰酷尫怕?。II型斷裂實(shí)驗(yàn)裂紋起裂時(shí)的能量釋放率，列于表2所示。可以看出，試樣開始起裂所對(duì)應(yīng)的平均載荷為1053 N，而此時(shí)的能量釋放率為1453 J/m2。

圖4 II型斷裂實(shí)驗(yàn)的載荷-位移曲線Fig.4 Load-Displacement curve of II type mixed fracture experiment

Specimen1234AveragevalueLoad(N)12001150104010201053Displacement(mm)0.560.730.530.780.55Energyreleaserate(J/m2)15982023131519091453

3.2 加載速率對(duì)能量釋放率的影響

在加載速率分別為1 mm/min，2 mm/min，3 mm/min，4 mm/min和5 mm/min的條件下，得到了不同加載速率I+II型和II型層間斷裂載荷-位移曲線，相應(yīng)的載荷-位移曲線和能量釋放率-位移曲線如圖5和圖6所示。

由不同加載速率下I+II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)載荷-位移曲線和能量釋放率曲線(如圖5所示)，可以看出，能量釋放率隨著位移的增大而增大，在裂紋起裂時(shí)開始下降，隨后由于載荷的上升，再次增加。在1～5 mm/min加載速率的條件下，起裂能量釋放率為85～35 J/m2。

由載荷-位移曲線圖6a和裂紋擴(kuò)展的能量釋放率-位移曲線圖6b可以看出，能量釋放率隨著位移的增大，而不斷增加，在到達(dá)起裂時(shí)最高，隨后開始下降。在2～5 mm/min情況下，起裂能量釋放率GII平均數(shù)基本維持在2400 J/m2；在 1 mm/min情況下，能量釋放率偏低，平均只有1250 J/m2。

圖5 不同加載速率下I+II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)載荷-位移曲線(a)和能量釋放率曲線(b)Fig.5 Load-displacement (a) and energy release rate (b) curve of I+II type mixed fracture experiment

圖6 不同加載速率下Ⅱ型層間斷裂實(shí)驗(yàn)載荷-位移曲線(a)和能量釋放率曲線(b)Fig.6 Load-displacement (a) and energy release rate (b) curve of II type mixed fracture experiment

4 討 論

4.1 斷裂裂紋在界面處擴(kuò)展方式

利用SEM對(duì)I+II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)及II型斷裂實(shí)驗(yàn)的斷口進(jìn)行觀察，如圖7所示，可以看到裂紋起裂發(fā)生在Ti/Al3Ti層間界面處預(yù)制裂紋尖端。在裂紋擴(kuò)展過程中，由于Al3Ti具有脆性，在受彎曲過程中比層間界面更易發(fā)生斷裂，從而使得裂紋擴(kuò)展進(jìn)入Al3Ti材料，由于Ti具有韌性，從而使裂紋在Ti/Al3Ti層間處及靠近界面處的Al3Ti中開始擴(kuò)展。這表明在彎曲實(shí)驗(yàn)中，Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料不會(huì)完全沿界面開裂，而是在界面和Al3Ti層中混合開裂，如圖8。由此可以看出Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料界面的破壞方式屬于混合應(yīng)力破壞，即內(nèi)聚力破壞和界面破壞共存的破壞方式。

圖7 I+II型層間混合斷裂(a)和II型層間混合斷裂(b)試樣斷裂后SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of type I+II (a) and type II (b) specimens fracture

圖8 界面處裂紋擴(kuò)展示意圖Fig.8 Schematic diagram of crack growth at the interface

在1 mm/min速率下，I+II型層間斷裂起裂能量釋放率GI+II為46 J/m2，而Ⅱ型層間斷裂實(shí)驗(yàn)起裂能量釋放率GII平均數(shù)為1453 J/m2。造成這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果巨大差距的原因，主要是由于兩種試樣的斷裂方式和試樣的幾何形狀不同導(dǎo)致的。Ⅱ型層間斷裂實(shí)驗(yàn)是滑移型撕裂，而I+II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)是混合型斷裂。由圖1和圖2對(duì)比可見，I+II型層間斷裂試樣在預(yù)裂紋到支座之間有間隙，即沒有Ti/Al3Ti材料，而Ⅱ型層間斷裂試樣則無間隙。在三點(diǎn)彎曲時(shí)，試樣中心受到壓力，I+II型層間斷裂試樣，由于預(yù)裂紋到支座之間沒有材料，導(dǎo)致預(yù)裂紋更容易發(fā)生起裂和擴(kuò)展，從而致使張開型和滑移型斷裂共同存在，相應(yīng)地起裂能量釋放率GI+II偏小；而Ⅱ型層間斷裂試樣的預(yù)裂紋到支座之間存在材料，所以斷裂時(shí)只發(fā)生滑移型撕裂，預(yù)裂紋的起裂比I+II型層間斷裂更加困難，從而導(dǎo)致起裂能量釋放率GII比GI+II大50倍以上。

Ⅱ型層間斷裂能量釋放率GII明顯高于GI+II，且Ⅱ型層間斷裂起裂所需的載荷也明顯高于I+II型層間斷裂，由裂紋起裂所需的能量釋放率及載荷來考慮，裂紋受張開型和滑移型斷裂比單純受到滑移型斷裂更危險(xiǎn)。Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展是在界面和Al3Ti層中共同進(jìn)行，由裂紋在Ti/Al3Ti層間擴(kuò)展方式可知Ti/Al3Ti層間結(jié)合處在彎曲過程中比Al3Ti強(qiáng)度更好。

4.2 速率與能量釋放率關(guān)系

在加載速率為1～5 mm/min的條件下，I+II型層間斷裂實(shí)驗(yàn)和II型斷裂實(shí)驗(yàn)，由于同種實(shí)驗(yàn)的加載速率的不同，導(dǎo)致了起裂時(shí)載荷及能量釋放率的變化。

根據(jù)載荷-位移曲線及相應(yīng)的公式，可得到I+II型和II型斷裂起裂時(shí)的能量釋放率。由圖5和圖6以及相應(yīng)的公式(1)和(5)，獲得的不同類型層間裂紋起裂時(shí)不同加載速率下的能量釋放率，如圖9所示。由加載速率變化引起的起裂能量釋放率的變化可以看出，Ⅱ型層間能量釋放率隨加載速率的變化呈上升趨勢(shì)，而I+II型層間能量釋放率隨加載速率的變化則呈下降趨勢(shì)。且根據(jù)曲線可以導(dǎo)出能量釋放率隨速率增加的關(guān)系，二者之間的關(guān)系見式(6)：

(6)

其中，GI+II、GII是能量釋放率(J/m2)，v是速率(mm/min)。

圖9 不同加載速率下I+II型層間斷裂(a)和II型斷裂(b)裂紋起裂時(shí)能量釋放率Fig.9 Energy release rate curve of I+II (a) and II (b) type mixed fracture experiment at different speeds

5 結(jié) 論

(1)在加載速率為1 mm/min的條件下，I+II型層間斷裂能量釋放率GI+II為46 J/m2，Ⅱ型層間斷裂能量釋放率GII為1453 J/m2，Ⅱ型層間斷裂起裂比I+II型層間斷裂起裂需要更多的能量。

(2)當(dāng)層狀材料Ti/Al3Ti承受垂直于表面的外部載荷時(shí)，在預(yù)裂紋處很容易導(dǎo)致裂紋起裂和擴(kuò)展，在受力過程中，裂紋先在界面處起裂，隨后擴(kuò)展至Al3Ti層，最后裂紋在Al3Ti層和Ti/Al3Ti界面處共同擴(kuò)展。

(3)隨著加載速率的增加，I+II型層間裂紋起裂時(shí)的能量釋放率趨于減??；而II型的起裂能量釋放率則呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

References

[1] Kong Fantao(孔凡濤), Chen Yuyong(陳玉勇), Tian Jing(田競(jìng)),etal.MaterialsScienceandTechnology(材料科學(xué)與工藝)[J], 2003, 11(4):441-444.

[2] Kim Y W.Jom[J], 1995, 47(7): 39-42.

[3] G. Sauthoff .In Materials Science and Technology: A Comprehensive Treatment[M]// Robert W Cahn， Edward J Kramer, eds., VCH, New York, NY, 1995, vol. 8.

[4] Harach D J, Vecchio K S.Metallurgical&MaterialsTransactionsA[J], 2001, 32(6):1493-1505.

[5] Cao Yang(曹 陽), Zhu Shifan(朱世范), Guo Chunhuan(果春煥),etal.OrdnanceMaterialScienceandEngineering(兵器材料科學(xué)與工程)[J], 2014, (6):122-128.

[6] Cao Yang(曹 陽), Zhu Shifan(朱世范), Jiang Fengchun(姜風(fēng)春). 金屬間化合物基層狀復(fù)合材料裝甲防護(hù)性能的數(shù)值模擬[C]//TheAbstractof5thNationalConferenceonCalculatingExplosionMechanicsinChina(第五屆全國(guó)計(jì)算爆炸力學(xué)會(huì)議論文摘要), 2012.

[7] Peng L M , Wang J H , Li H ,etal.ScrMater[J], 2005 , 52 : 243

[8] Peng L M , Li H ,Wang J H.MaterSciEngA[J ], 2005 , 406 : 309

[9] Change Yunpeng(常云鵬), Ha Jinfen(哈金奮), Dang Chao(黨 超),etal. 金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti-Al3Ti 制備及其力學(xué)行為[C]//The17thNationalAcademicConferenceonCompositesMaterialsinChina(第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議), 2012.

[10]Kusaka T.JSMEInternationalJournalSeries：ASolidMechanicsandMaterialEngineering[J], 2003, 46(3): 328-334.

[11]Irwin G R, Kies J A.SpieMilestoneSeriesMs[J], 1997, 137: 136-141.

[12]Friedrich K, Walter R, Carlsson L A,etal.JournalofMaterialsScience[J], 1989, 24(9): 3387-3398.

[13]Russell A J, Street K N.DelaminationandDebondingofMaterials,ASTMSTP[J], 1985, 876: 349-370.

(編輯 蓋少飛)

Research on Interlayer Fracture Properties of Ti/Al3Ti Layered Composite

WANG Zeming, ZHOU Peijun, WANG Enhao, YUAN Ding, JIANG Fengchun，GUO Chunhuan

(Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology, Ministry of Education, College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Metal-Intermetallic Laminate (MIL) composite Ti/Al3Ti, which is a class of laminated material and consists of ductile Ti layers and intermetallic Al3Ti layers, is sintered using both Ti-6Al-4V foils and Al foils. In this paper, the methods of ENF (End-Notch-Flexure) test and MMF(Mixed-Mode-Flexure) test are used to investigate the interlaminar fracture energy of two fracture types (type II and type I + II), the interlaminar fracture behavior and the energy release rate of MIL composite Ti/Al3Ti. The results show that the crack initiation occurred at the interface between the layers, and the deflection occurred in the course of the crack propagation, which led to the crack of Al3Ti layer. Therefore, the cracks finally appeared to propagate at both the interface of composite and the Al3Ti layer. The interlaminar fracture energy release ratesGI+IIandGIIare 46 J/m2and 1453 J/m2, respectively, which show that type II interlaminar fracture crack requires more energy than that of type I + II.

metal-intermetallic laminate (MIL) composite; I+II interlaminar fracture； II interlaminar fracture； interlaminar fracture behavior; inter-layer energy release rate

2015-9-02

國(guó)家科工局基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(B2420133004)；國(guó)家自然科學(xué)基金(11402060)

王澤明，男，1989年生，碩士研究生

果春煥，女，1980年生，講師，碩士生導(dǎo)師，Email: guochunhuan@hrbeu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.02.11

TB331

A

1674-3962(2017)02-0155-06