杜雙明,喬生儒

(1西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710054;2西北工業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室,西安710072)

3D-Cf/SiC復(fù)合材料在1500℃的拉-拉疲勞行為

杜雙明1,喬生儒2

(1西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710054;2西北工業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室,西安710072)

在1500℃,10-4Pa真空中,采用應(yīng)力比0.1和0.5,頻率60Hz和20Hz的正弦波對三維編織炭纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料(3D-Cf/SiC)進(jìn)行了拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn),利用SEM和 HRTEM分別觀察了疲勞試樣的斷口形貌和熱解炭界面相的微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:若取循環(huán)基數(shù)為106次,當(dāng)應(yīng)力比為0.1時(shí),20Hz和60Hz的疲勞極限分別是230MPa和240MPa,約為抗拉強(qiáng)度的88%和92%;當(dāng)應(yīng)力比為0.5時(shí),60Hz的疲勞極限是230MPa,約為抗拉強(qiáng)度的88%。應(yīng)力比低、加載頻率高、循環(huán)周次多的斷口粗糙度大,纖維(束)拔出較長。納米尺度的熱解炭界面相變形明顯,由平直狀變?yōu)榫砬鸂睢?/p>

3D-Cf/SiC復(fù)合材料;高溫拉-拉疲勞;界面;疲勞損傷

炭纖維三維編織體增韌碳化硅復(fù)合材料(3D-Cf/SiC)以其優(yōu)良的高溫力學(xué)性能在航空航天領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力,最有希望成為滿足1500℃及以上溫度使用的超高溫結(jié)構(gòu)材料[1]。隨著3D-Cf/SiC復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用,超高溫疲勞強(qiáng)度將成為熱端結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo),因此對其超高溫疲勞性能的研究顯得非常迫切。過去幾年來,國內(nèi)外對炭纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的疲勞行為進(jìn)行了許多研究,已有研究[2-8]表明,纖維編織方式、復(fù)合材料的制備工藝以及疲勞實(shí)驗(yàn)參數(shù)等對C/SiC復(fù)合材料的疲勞特性和疲勞損傷形式均產(chǎn)生較大影響,3D-C/SiC復(fù)合材料具有比2D-C/SiC和2.5D-C/SiC復(fù)合材料更高的疲勞抗力,疲勞溫度對C/SiC復(fù)合材料的疲勞行為產(chǎn)生較大影響。但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,以往對于C/SiC復(fù)合材料疲勞特性的研究大多集中在1300℃及以下溫度,而1500℃及以上溫度的疲勞特性鮮有報(bào)道。本工作就3D-Cf/SiC復(fù)合材料在1500℃的拉-拉疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出了不同條件下的疲勞最大應(yīng)力-疲勞壽命曲線,并結(jié)合斷口形貌和界面微結(jié)構(gòu)變化特征對復(fù)合材料的疲勞損傷機(jī)制進(jìn)行了初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用材料為采用CVI法制備的3D-Cf/SiC復(fù)合材料。由 T-300炭纖維編織為三維四向預(yù)制體,編織角為22°,采用CVI法在950～1000℃沉積熱解炭界面層和SiC基體。最終得到纖維體積分?jǐn)?shù)約為40%～45%,熱解炭界面層厚度約0.2μm的3D-Cf/SiC復(fù)合材料。通過磨削加工到一定尺寸,再在其表面沉積一定厚度的SiC涂層。實(shí)驗(yàn)采用的拉-拉疲勞試樣,其最終形狀和尺寸如圖1所示。材料的基本性能如表1所示。

圖1 拉-拉疲勞試樣示意圖Fig.1 Schematic of specimen for tension-tension fatigue

表1 3D-Cf/SiC復(fù)合材料在1500℃的基本性能Table 1 Main properties of 3D-Cf/SiC composite material

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)

實(shí)驗(yàn)在 FTM-HT疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在1500℃,10-4Pa真空條件下,采用應(yīng)力比R=0.1,0.5,加載頻率60Hz和20Hz的正弦波對3D-Cf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行軸向等幅拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)。

1.3 顯微組織與疲勞斷口分析

為了研究復(fù)合材料在疲勞過程中顯微結(jié)構(gòu)的變化和斷裂機(jī)制,利用J EOL35-C掃描電鏡(SEM)進(jìn)行斷口形貌觀察,在J EOL-2010型高分辨透射電子顯微鏡(High Resolution Transmission Electron Microscopy,HRTEM)上進(jìn)行界面微結(jié)構(gòu)的觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞最大應(yīng)力-壽命曲線

3D-Cf/SiC復(fù)合材料在1500℃、應(yīng)力比R=0.1、加載頻率分別為60Hz和20Hz的疲勞應(yīng)力-壽命曲線如圖2所示。可以看出,試樣的疲勞壽命隨著疲勞應(yīng)力的變化大致可分為短壽命區(qū)(Ⅰ區(qū),Nf<104周)、中壽命區(qū)(Ⅱ區(qū),104106周)三個(gè)區(qū)域。當(dāng)應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度時(shí),斷裂發(fā)生在短壽命區(qū),此區(qū)域的疲勞壽命與疲勞應(yīng)力的相關(guān)性較小;應(yīng)力介于抗拉強(qiáng)度與疲勞極限之間時(shí),斷裂發(fā)生在中壽命區(qū),隨著疲勞應(yīng)力的降低,疲勞壽命延長,這表明此區(qū)域疲勞損傷具有累加性。在中壽命區(qū)(Ⅱ)內(nèi),當(dāng)疲勞應(yīng)力相同時(shí),20Hz的疲勞壽命總是低于60Hz的疲勞壽命。隨著疲勞應(yīng)力的增加,20Hz時(shí)疲勞壽命的下降速率要比60Hz時(shí)大一些,這說明3DCf/SiC在1500℃的疲勞壽命主要取決于疲勞應(yīng)力持續(xù)的時(shí)間。若疲勞循環(huán)基數(shù)為106次,可以認(rèn)為3DCf/SiC在20Hz和60Hz的疲勞極限分別是230MPa和240MPa,約為其抗拉強(qiáng)度的88%和92%,該值遠(yuǎn)高于其比例極限(對應(yīng)于基體開裂應(yīng)力),但要低于其在1300℃的疲勞極限[8]。

圖2 不同頻率3D-Cf/SiC復(fù)合材料的S-N曲線(R=0.1)Fig.2 S-Ncurve of 3D-Cf/SiC composite at different frequency(R=0.1)

圖3是3D-Cf/SiC復(fù)合材料在1500℃,加載頻率為60Hz,應(yīng)力比0.5條件下的S-N曲線。為了對比,圖3中還給出了1500℃、應(yīng)力比0.1、頻率60Hz條件下的S-N曲線?？梢钥闯?在中壽命區(qū)(Ⅱ)內(nèi),當(dāng)疲勞應(yīng)力相同時(shí),應(yīng)力比0.5時(shí)的疲勞壽命總是低于應(yīng)力比0.1時(shí)的疲勞壽命。對比可知,隨著疲勞應(yīng)力的增加,應(yīng)力比0.5時(shí)的疲勞壽命的下降速率要比應(yīng)力比0.1大一些,表明疲勞壽命與疲勞過程的平均應(yīng)力相關(guān),當(dāng)最大疲勞應(yīng)力一定時(shí),隨應(yīng)力比的增大,施加于試樣的平均應(yīng)力相應(yīng)增大,循環(huán)應(yīng)力幅相應(yīng)減小。若疲勞循環(huán)基數(shù)為106次,應(yīng)力比0.5時(shí)的疲勞極限可以認(rèn)為是230MPa,低于應(yīng)力比0.1時(shí)的疲勞極限。圖2和圖3中疲勞壽命與疲勞過程的平均應(yīng)力及平均應(yīng)力的作用時(shí)間相關(guān)的結(jié)果表明,3D-Cf/SiC復(fù)合材料1500℃疲勞過程表現(xiàn)出蠕變特征。

圖3 不同應(yīng)力比3D-Cf/SiC復(fù)合材料的S-N曲線 (60Hz)Fig.3 S-Ncurve of 3D-Cf/SiC composite at different stress ratios(60Hz)

2.2 疲勞斷口特征

圖4是1500℃,250MPa,60Hz,R=0.1,10-4Pa真空條件下循環(huán)760860次的疲勞斷口。可以看出,試樣斷口(圖4(a))相對平齊,纖維束的整束拔出較短;纖維束的斷口(圖4(b))呈多級小臺(tái)階,纖維束內(nèi)既有纖維簇(纖維集團(tuán))拔出,也有單根纖維拔出,但以纖維簇形式拔出為主,拔出纖維簇和纖維絲的表面比較光滑,纖維(簇)/基體界面滑動(dòng)引起的磨損很小。

圖4 1500℃,250MPa,60Hz,R=0.1,10-4Pa真空條件下循環(huán)760860次的疲勞斷口(a)低倍;(b)高倍Fig.4 Fatigue fracture morphology at 1500℃,250MPa,60Hz,R=0.1,10-4Pa vacuum and 760860 cycles(a)low magnification;(b)high magnification

圖5是1500℃,250MPa,20Hz,R=0.1,10-4Pa真空條件下循環(huán)72460次的疲勞斷口,圖6則是1500℃,250MPa,60Hz,R=0.5,10-4Pa真空條件下循環(huán)16620次的斷口。對比圖5和圖4可以看出,相同條件下,與60Hz(對應(yīng)的循環(huán)周次較多)的端口相比,20Hz(對應(yīng)的循環(huán)周次較少)的端口起伏較大,纖維和纖維束的脫粘和拔出較明顯。對比圖6和圖4可以看出,相同條件下,與R=0.1(對應(yīng)的循環(huán)周次較多)的端口相比,R=0.5(對應(yīng)的循環(huán)周次更少)的端口粗糙度更大,纖維和纖維束的拔出長度更長,纖維束脫粘和拔出更加明顯?？梢?相同條件下,應(yīng)力比高、加載頻率低、循環(huán)周次少的斷口粗糙度大,纖維拔出較長;應(yīng)力比低、加載頻率高、循環(huán)周次多的斷口相對平齊,纖維拔出較短。纖維束與基體界面和纖維與基體界面的脫粘及滑動(dòng)產(chǎn)生的損傷中,以纖維束與基體之間產(chǎn)生的損傷是主要的。

圖5 1500℃,250MPa,20Hz,R=0.1,10-4Pa真空條件下循環(huán)72460次的疲勞斷口Fig.5 Fatigue fracture morphology at 1500℃,250MPa,20Hz,R=0.1,10-4Pa vacuum and 72460 cycles

圖6 1500℃,250MPa,60Hz,R=0.5,10-4Pa真空條件下循環(huán)16620次的疲勞斷口Fig.6 Fatigue fracture morphology at 1500℃,250MPa,60Hz,R=0.5,10-4Pa vacuum and 16620 cycles

從顯微尺度看,CVI法制備的3D-Cf/SiC復(fù)合材料存在兩種界面:一種是纖維束與周圍基體之間形成的纖維束/基體界面,另一種是纖維束內(nèi)纖維與碳化硅基體之間形成的纖維/基體界面。纖維的拔出形式和拔出長度與纖維周圍基體的致密化程度有關(guān),纖維束內(nèi)基體比較致密,纖維與基體界面結(jié)合較強(qiáng),所以纖維束內(nèi)纖維的拔出數(shù)目很少或者沿纖維與基體界面結(jié)合相對較弱的界面以纖維簇形式拔出;與纖維/基體界面相比,纖維束內(nèi)之間基體的致密化程度較低,甚至出現(xiàn)空洞,導(dǎo)致纖維束/基體界面的結(jié)合較弱,纖維束容易脫粘和相對滑動(dòng)。

疲勞斷口相對平齊及纖維拔出較短還可能與殘余熱應(yīng)力有關(guān),在1500℃,炭纖維和碳化硅的徑向熱膨脹系 數(shù) 失 配 (αf=7 ×10-6℃-1和αm=4.8 ×10-6℃-1)[5],界面產(chǎn)生了熱壓應(yīng)力,外加應(yīng)力使纖維和基體沿受力垂直方向收縮也產(chǎn)生壓應(yīng)力,疊加效應(yīng)使纖維/基體界面壓應(yīng)力增大,界面滑動(dòng)阻力增大,界面滑動(dòng)距離減小。如果界面的結(jié)合強(qiáng)度過高,擴(kuò)展至界面的基體裂紋在疲勞應(yīng)力較小時(shí)會(huì)被界面中止;在疲勞應(yīng)力較大時(shí)則會(huì)穿越界面和纖維(束、簇)繼續(xù)擴(kuò)展,不存在纖維(束)沿界面脫粘以及界面的滑動(dòng)摩擦磨損。

2.3 界面微結(jié)構(gòu)損傷

圖7是3D-Cf/SiC復(fù)合材料中基體/熱解炭界面(SiC/PyC)區(qū)的 HRTEM照片?？梢钥闯?當(dāng)循環(huán)次數(shù)N=0時(shí),SiC/PyC界面處的熱解炭PyC微晶片層排列整齊,表現(xiàn)出較好的趨向性(圖7(a));當(dāng)N=760860次時(shí),由于剪切應(yīng)力作用,SiC/PyC界面處的熱解炭PyC微晶片層呈卷曲無序狀(圖7(b)),這與2.5D-C/SiC復(fù)合材料在1500℃拉伸蠕變過程中PyC微晶片層的變化特征相似,即界面發(fā)生了黏性流動(dòng)[9]。從宏觀層次上看,熱解炭 PyC微晶片層的黏性流動(dòng)削弱了橋接纖維對基體裂紋的抑制作用,導(dǎo)致基體裂紋向前擴(kuò)展,在一定程度上抵消熱壓應(yīng)力對界面結(jié)合強(qiáng)度的影響,致使界面滑動(dòng)阻力減小,疲勞壽命降低。

圖7 基體/熱解炭界面區(qū)的 HRTEM照片(60Hz,R=0.1,250MPa)(a)N=0;(b)N=760860次Fig.7 HRTEM photos of microstructure of SiC/PyC interface(60Hz,R=0.1,250MPa)(a)N=0;(b)N=760860 cycles

通過分析和比較不同加載頻率與應(yīng)力比的S-N曲線的特性并結(jié)合疲勞斷口形貌以及熱解炭微結(jié)構(gòu)變化特征,可以認(rèn)為3D-Cf/SiC復(fù)合材料疲勞過程中,熱解炭PyC微晶片層的黏性流動(dòng)與疲勞過程的平均應(yīng)力及平均應(yīng)力的作用時(shí)間相關(guān),表現(xiàn)出蠕變損傷的特性,但3D-Cf/SiC復(fù)合材料在1500℃疲勞過程中疲勞與蠕變的交互作用還需要進(jìn)一步探究。

3 結(jié)論

(1)若取循環(huán)基數(shù)為106次,當(dāng)應(yīng)力比為0.1時(shí),20Hz和60Hz的疲勞極限分別是230MPa和240MPa,約為抗拉強(qiáng)度的88%和92%;當(dāng)應(yīng)力比為0.5時(shí),60Hz的疲勞極限可以認(rèn)為是230MPa,約為抗拉強(qiáng)度的88%。3D-Cf/SiC復(fù)合材料在1500℃的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度與平均應(yīng)力及平均應(yīng)力的作用時(shí)間相關(guān)。

(2)相同條件下,應(yīng)力比高、加載頻率低、循環(huán)周次少的斷口粗糙度大,纖維拔出較長;應(yīng)力比低、加載頻率高、循環(huán)周次多的斷口相對平齊,纖維拔出較短。纖維束與基體界面和纖維與基體界面的脫粘及滑動(dòng)產(chǎn)生的損傷中,以纖維束與基體之間產(chǎn)生的損傷是主要的。

(3)1500℃疲勞斷裂后,3D-Cf/SiC復(fù)合材料中SiC/PyC界面處的熱解炭微晶片層變形明顯,由平直狀變?yōu)榫砬鸂睢?/p>

[1] HIROSHI KAYA.The application of ceramic-matrix composites to the automative ceramic gas turbine[J].Composites Science and Technology,1999,59(6):861-872.

[2] WANG Z G,LAIRD C,HASHIN Z.The mechanical behavior of a cross-weave ceramic matrix composite[J].Mater Sci,1991,26(19):5335-5341.

[3] WINFRED L MORRIS.Fatigue mechanisms in graphite/SiC composites at room and high temperature[J].J Am Ceram Soc,1994,77(3):792-800.

[4] SHULER S F,HOLMES J W,WU X.Influence of loading frequency on the room temperature fatigue of a carbon-fiber/SiC composite[J].J Am Ceram Soc,1994,76(9):2327-2336.

[5] 喬生儒,杜雙明.3D-C/SiC復(fù)合材料的損傷機(jī)理[J].機(jī)械強(qiáng)度,2004,26(3):307-312.

[6] 杜雙明,喬生儒.3D-C/SiC復(fù)合材料拉-拉疲勞模量和電阻的變化[J].宇航材料工藝,2002,32(5):38-41.

[7] DALMAZ A,ABBE F.Mechanical behavior and damage development during cyclic fatigue at high-temperature of 2.5D C/SiC composites[J].Science and Technology,1998,58(5):693-699.

[8] 杜雙明,喬生儒.3D-C/SiC復(fù)合材料在室溫和高溫下的拉-拉疲勞行為[J].材料工程,2002,(9):22-25.

[9] BOITIER G,VICENS J,CHERMANT J L.Understanding the creep behavior of a 2.5D-C/SiC composite-Ⅱexperimental specifications and macroscopic mechanical creep responses[J].Mater Sci Eng,2000,A289(2):265-275.

Tension-tension Fatigue Behavior of 3D-Cf/SiC Composite at 1500℃

DU Shuang-ming1,QIAO Sheng-ru2
(1 College of Materials Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China;2 Laboratory of Thermo-structural Composite,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The tension-tension fatigue tests were conducted at 1500℃under 10-4Pa vacuum with a sinusoidal loading-frequency of 20,60Hz and stress ratioRof 0.1 and 0.5 for 3D-braided carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic matrix composites(3D-Cf/SiC)fabricated by chemical vapor infiltration(CVI)process.Morphology of fatigue fracture and microstructure of pyrocarbon interphase of 3D-Cf/SiC composites were observed by SEM and HRTEM respectively.The results show that while stress ratio is 0.1,the fatigue limit(based on 106cycles)at 20Hz and 60Hz is 230MPa and 240MPa respectively.While stress ratio is 0.5,the fatigue limit is 230MPa at 60Hz.Fracture morphology is more rough in low fatigue stress-ratio,high loading-frequency and more fatigue cycles,and the pullout lengths of fiber and fibers bundles on the fracture surface is longer.Nanoscale pyrocarbon flake of interphase curls up evidently.

3D-Cf/SiC composite;high temperature tension-tension fatigue;interface;fatigue damage

TB332

A

1001-4381(2011)05-0034-04

2010-03-11;

2011-03-05

杜雙明 (1963—),男,博士,副教授,主要從事超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究,聯(lián)系地址:西安市雁塔路中段58號西安科技大學(xué)材料學(xué)院(710054),E-mail:shuangmingdu@163.com