B4C/Al复合材料的同步辐射显微CT三维表征及其损伤演化与断裂机理研究

To investigate the three dimensional damage evolution process of aluminum matrix composites under mechanical loadings helps to understand the fundamental scientific aspects of composites, such as deformation behavior and fracture mechanisms. In this project, the three dimensional microstructure features of B4C/Al composites will be quantified using synchrotron X-ray microtomography. The synchrotron in-situ technique will be applied to reveal the microstructure evolution characteristics of B4C/Al composites under mechanical loadings. The three dimensional interaction between the initiation, propagation of cracks and the local microstructure features (particle reinforcements, interface, second phases and micro-pores in the matrix) will be studied, then to analyze the damage evolution process of the composites. By tracking the marker microstructure features in the composites, the internal three dimensional displacement and strain map will be calculated to analyze the strain distribution and deformation characteristics. The three dimensional image-based models, representing the internal microstructure features of B4C/Al composites, will also be established and the multiscale-type modelling approach will be used to simulate the deformation and damage process. It is expected to illustrate the reinforcing and failure mechanisms of B4C/Al composites, and then provide scientific foundation and theoretical supports for the design theories, microstructure characterization and performance optimization of aluminum matrix composites.

从三维尺度研究铝基复合材料在力场作用下的损伤演化与渐近破坏过程，有助于理解其变形行为和断裂机理等基本科学问题。针对B4C/Al复合材料，基于同步辐射三维表征（X射线显微CT）技术，定量表征复合材料的三维组织和内部微结构特征；利用同步辐射原位拉伸技术，研究力场作用下B4C/Al复合材料微观组织的演化规律，分析裂纹产生、扩展及其与局部微观组织（颗粒增强相、界面、基体中第二相和内部微孔等）之间的三维尺度交互作用，揭示复合材料的损伤演化过程；利用B4C/Al复合材料的组织细节作为标记，计算复合材料内部的三维位移场和变形场，分析复合材料内部的应变分布和变形特点；同时，构建反映复合材料内部组织特征的三维模型，开展基于三维组织的多尺度数值模拟计算，模拟弹塑性变形与破坏过程。通过课题的研究，揭示B4C/Al复合材料增强与失效的微观机制，为铝基复合材料的设计理论、组织表征和性能优化提供科学依据和理论支持。

本项目系统研究了B4C/2024Al复合材料的制备工艺和时效析出行为、微观组织的多维度(二维、三维)表征与定量分析、拉伸性能及其变形损伤演化过程、拉伸性能与变形、断裂行为的有限元模拟等基本科学问题。.采用SPS方法制备了组织均匀的B4C/2024Al复合材料，界面结合良好。加入B4C颗粒增强相降低了铝基体析出相的热扩散激活能，经190°C时效后能够达到最大的时效硬度，相比未时效时提高了16%。采用同步辐射三维表征（X射线显微CT）技术，成功实现了B4C/2024Al复合材料的三维组织可视化，表征了复合材料的多组元特征（B4C颗粒增强相、铝基体、基体中Al2Cu和内部微孔）及其空间分布；经过挤压处理后，内部微孔含量降低了67%、尺寸减小了75%。随着B4C体积分数增加，B4C/2024Al复合材料的弹性模量近似呈线性增大，屈服强度和断裂强度增大，延伸率降低。经热挤压处理后，力学性能得到进一步改善，断口中出现明显的撕裂棱，为准解理断裂。.利用原位观察和同步辐射X射线显微CT分析，确定了B4C/2024Al复合材料拉伸变形过程的三个阶段，即基体中萌生初始裂纹、裂纹扩展和新裂纹萌生、裂纹汇聚而导致材料断裂。计算了拉伸过程中B4C/2024Al复合材料内部的应变场分布及其演化过程，其内部的变形不均匀，存在局部应变集中，对应于Al-B4C界面脱粘和裂纹扩展区域；同时，基体中的Al2Cu偏聚区域，易造成裂纹的扩展。基于B4C/2024Al复合材料的实际微观组织，进行了数值模拟计算，宏观拉伸性能的模拟值与实验值吻合良好，同时证实了拉伸时细观层次上的应力、应变集中现象。采用三维模型的有限元模拟可以进一步提高计算精度，减小计算误差。.通过四年的研究工作，本项目共发表SCI论文14篇，获得授权发明专利4项；参加了6次国内、外会议，含国际会议邀请报告3次；培养博士1名，硕士4名。同步辐射X射线显微CT的三维表征技术拓展应用到其他类型复合材料，获得2018年国防技术发明一等奖。项目通过理论研究，表征了B4C/Al复合材料的微观组织与三维微结构特征，揭示了其在拉伸变形过程中的演变规律和对拉伸性能、变形行为的作用机制，探讨了B4C/Al复合材料断裂行为的微观机制，为轻质、高强铝基复合材料的组织表征和变形行为、断裂机理研究提供了试验数据和理论依据。