Ti/Al3Ti层状复合材料动态断裂行为及其损伤演化研究

The objective of this proposal is to build a relationship between microstructure and dynamic fracture properties, and to study damage evolution mechanism of the novel lightweight Ti/Al3Ti metal intermetallic laminate composites. To this end, the split Hopkinson pressure bar combined with single pulse loading and pulse shaping techniques will be employed to investigate the dynamic mechanical response of laminate composites. Furthermore, a high-speed digital camera will be used to observe the dynamic damage process and the microscopic features of damage failure of laminate composites under stress wave loading, and to further reveal the dynamic damage evolution mechanisms of macro-mesoscopic-microstructure of laminate composites using material analysis techniques. Based on the experimental results this project will utilize the macro-mesoscopic fracture mechanics principle to establish a mechanical model of Ti/Al3Ti laminate composites for predicting the macro-properties of intermetallic laminate composites. The results achieved from this study schedule will have important significance for understanding the relationship between the microstructure and fracture properties of Ti/Al3Ti laminate composites, and will offer some academic insights in design and development of this lightweight metallic laminate composites and will provide a reliable theoretical basis for the application investigation of this metallic laminate composites.

本课题的目的是研究金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti的微结构与动态断裂性能的关系及损伤演化机理。为此，以分离式Hopkinson压杆加载系统为实验手段，采用单脉冲加载和波形整形技术，研究高加载速率下层状复合材料动态力学响应；利用高速摄影仪技术，记录和分析层状复合材料在应力波加载条件下的动态损伤过程及其损伤破坏的显微特征，并结合材料学的微观分析方法，进一步揭示该材料的宏观—细观—微观结构动态损伤演化机理；本项目拟在试验研究的基础上，用宏细观断裂力学的分析方法建立Ti/Al3Ti层状复合材料结构的力学模型，预报金属间化合物基层状复合材料的力学性能。本项研究工作对揭示Ti/Al3Ti层状复合材料微结构与宏观动态断裂行为的关系具有重要意义，可为轻质金属层状复合材料的设计提供新的学术思想，也可为金属层状复合材料的应用研究提供可靠的理论基础。

本项目针对具有叠层结构的新型轻质Ti/Al3Ti层状复合材料，开展了动态加载条件下的变形、断裂及损伤机理等方面的研究工作，获得了Ti/Al3Ti层状复合材料相应的动态本构关系、三点弯曲变形行为以及层裂等方面的研究成果。通过实验方法建立了复合材料中不同相（韧性Ti和脆性Al3Ti）的本构关系（JC和JH2），为Ti/Al3Ti层状复合材料的力学性能模拟和材料结构的计算机辅助设计提供了基础。动态压缩结果表明，Ti/Al3Ti层状复合材料具有一定的应变率敏感性，即随着应变率的增加应力增加；并且韧性层与脆性层之间的界面属于弱界面结果，这也是层状复合材料具有特殊性能的原因之一。并通过设计一种拉压转换夹具，实现直接拉伸的方式来测试了Ti/Al3Ti层状复合材料的界面拉伸性能，其界面拉伸强度约为80MPa。而Ti/Al3Ti层状复合材料动态断裂韧性在15MPa左右，还通过设计试样几何尺寸，测试了Ti/Al3Ti层状复合材料的层裂行为，结果表明，其能量释放率不仅与试样尺寸有关，还随着加载速率的增加而变化。通过光学显微镜和扫描电子显微镜等微结构分析技术对复合材料不同加载条件下（压缩、三点弯曲、直接拉伸、层裂等）的断口分析研究证明了Ti/Al3Ti层状复合材料的高吸能机理包括：脆性裂纹吸能、层间界面开裂吸能、裂纹偏转增加了裂纹扩展路径吸能、以及韧性增强相Ti的拉伸、剪切塑形变形和断裂吸能、韧性相Ti层的“桥联”作用吸能等，这些研究成果丰富了层状复合材料高吸能机理，可以用来指导高吸能层状复合材料的设计和制备工艺优化。