林昊, 胡红洁, 李可, 汪俊, 张峻凡, 邓彪, 肖伯律. 基于同步辐射高时空分辨CT的颗粒增强铝基复合材料原位拉伸变形及损伤研究[J]. 金属学报, DOI: 10.11900/0412.1961.2026.00025.
, , , , , , . In Situ Study on Tensile Deformation and Damage of Particle-Reinforced Aluminum Matrix Composites Based on High Spatiotemporal Resolution Synchrotron Radiation CT[J]. Acta Metall Sin, 0, (): 0-.

摘要 相关文章 Metrics 全文: PDF(3834 KB)   摘要: 颗粒增强铝基复合材料因其优异的比强度和比刚度在航空航天和轨道交通等领域应用广泛，但增强相引入导致的脆性断裂及强韧性矛盾问题限制了其进一步发展。传统的准静态表征手段难以实时捕捉材料在载荷作用下动态损伤演化过程。为揭示颗粒增强铝基复合材料的动态断裂机制，解决传统表征手段难以实时捕捉损伤演化的难题，本研究利用上海同步辐射光源BL16U2线站，建立了时间分辨率高达5 Hz的原位动态连续拉伸X射线计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)实验方法，实现了对12 vol.% Ti2AlC /Al复合材料的断裂全过程的4D (3D空间+时间)观测。结合深度学习与环境遮挡算法，成功解决了低信噪比动态图像中增强相与微裂纹的精准分割难题。研究发现：(1)损伤萌生具有显著的尺寸依赖性，微裂纹优先在体积较大及团聚的Ti2AlC颗粒内部形核；(2)损伤演化呈现“布式形核—基体桥接—局部化聚合”的三阶段特征；(3)在失效临界点，铝基体发生开裂，从而使孤立的微裂纹快速聚合，导致裂纹数量锐减而主裂纹体积占比激增，最终引发失稳断裂。本研究揭示了MAX相增强铝基复合材料的动态断裂机制，证明了亚秒级高时空分辨CT在捕捉材料非线性失效行为方面的独特优势 关键词 ： X射线动态显微CT,  同步辐射,  铝基复合材料,  原位拉伸,  损伤演化,  断裂机制     Abstract：Particle-reinforced aluminum matrix composites are widely used in aerospace and rail transportation fields due to their excellent specific strength and specific stiffness. However, their further development is limited by brittle fracture and the strength–toughness trade-off caused by the introduction of reinforcements. Traditional quasi-static characterization methods are inadequate for capturing the dynamic damage evolution of materials under load. To address this challenge and reveal the dynamic fracture mechanisms of Particle-reinforced composites, this study developed an in situ dynamic continuous tensile X-ray computed tomography (CT) method with a temporal resolution of up to 5 Hz at the BL16U2 beamline of the Shanghai Synchrotron Radiation Facility. This approach enabled 4D (3D space and time) observation of the entire fracture process of a 12 vol.% Ti2AlC/Al composite. By combining deep learning and ambient occlusion (AO) algorithms, the challenges associated with accurately segmenting reinforcements and microcracks in low signal-to-noise ratio dynamic images were successfully addressed. The findings revealed that: (1) Damage initiation exhibited significant size dependence, with microcracks preferentially nucleating inside larger and agglomerated Ti2AlC particles; (2) Damage evolution followed a three-stage characteristic of “multiple-site crack initiation–matrix connection–localized coalescence”; (3) At the critical point of failure, isolated microcracks rapidly coalesced by the Al matrix cracks, leading to a sharp decrease in the number of cracks and a drastic increase in the volume proportion of the main crack and ultimately triggering unstable fracture. This study elucidated the dynamic fracture mechanism of 12 vol.% Ti2AlC/Al composite and demonstrated the unique advantages of sub-second high spatiotemporal resolution CT in capturing nonlinear failure behaviors in materials. Key words： X-ray dynamic micro-CT    synchrotron radiation    aluminum matrix composites    in situ tension    damage evolution    fracture mechanism 收稿日期: 2026-01-23      基金资助:国家重点研发计划(NO.2021YFA1600700，NO.2021YFA1601001); 国家自然科学基金(NO.12275343) 服务 把本文推荐给朋友 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文章 林昊 胡红洁 李可 汪俊 张峻凡 邓彪 肖伯律 44.8K 链接本文: https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2026.00025      或      https://www.ams.org.cn/CN/Y0/V/I/0 [1] 崔天亮, 谢兴飞, 温晓灿, 吕少敏, 曲敬龙, 杜金辉. GH4151难变形高温合金的拉伸行为及其断裂失效机制[J]. 金属学报, 2026, 62(3): 445-457. [2] 吴志勇, 邵徽凡, 蔡长春, 曾敏, 王振军, 王艳丽, 陈雷, 熊博文. 斜纹碳布缝合织物结构增强铝基复合材料的高温拉伸及断裂行为[J]. 金属学报, 2025, 61(9): 1387-1402. [3] 范荣磊, 陈明和, 吴迪鹏, 武永. 基于晶体塑性模型预测TA32钛合金损伤及高温成形极限[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1293-1304. [4] 王飞翔, 陈忠奉, 尹晓宇, 熊良华, 谢红兰, 邓彪, 肖体乔. 基于X射线体视成像实现高温合金熔体凝固三维显微结构的原位观测[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 1109-1118. [5] 张星星, LUTZ Andreas, 甘为民, MAAWAD Emad, KRIELE Armin. 退火热处理对增材制造AlSi10Mg合金宏观和微观变形行为的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(8): 1091-1099. [6] 董蔚霞, 姚忠正, 刘思楠, 陈国星, 王循理, 吴桢舵, 兰司. Pd-Si金属玻璃液-液相变过程的短程-中程序结构演变规律[J]. 金属学报, 2024, 60(8): 1119-1129. [7] 唐旭, 张昊, 薛鹏, 吴利辉, 刘峰超, 朱正旺, 倪丁瑞, 肖伯律, 马宗义. 铸态及激光粉末床熔融AlCoCrFeNi2.1 共晶高熵合金的微观组织及力学性能[J]. 金属学报, 2024, 60(11): 1461-1470. [8] 李时磊, 李阳, 王友康, 王胜杰, 何伦华, 孙光爱, 肖体乔, 王沿东. 基于中子与同步辐射技术的工程材料/部件多尺度残余应力评价[J]. 金属学报, 2023, 59(8): 1001-1014. [9] 马宗义, 肖伯律, 张峻凡, 朱士泽, 王东. 航天装备牵引下的铝基复合材料研究进展与展望[J]. 金属学报, 2023, 59(4): 457-466. [10] 丁宗业, 胡侨丹, 卢温泉, 李建国. 基于同步辐射X射线成像液/固复层界面氢气泡的形核、生长演变与运动行为的原位研究[J]. 金属学报, 2022, 58(4): 567-580. [11] 聂金凤, 伍玉立, 谢可伟, 刘相法. Al-AlN异构纳米复合材料的组织构型与热稳定性[J]. 金属学报, 2022, 58(11): 1497-1508. [12] 曾桥石, 尹梓梁, 楼鸿波. 金属玻璃中的非晶多形态转变[J]. 金属学报, 2021, 57(4): 491-500. [13] 毕胜, 李泽琛, 孙海霞, 宋保永, 刘振宇, 肖伯律, 马宗义. 高能球磨结合粉末冶金法制备碳纳米管增强7055Al复合材料的微观组织和力学性能[J]. 金属学报, 2021, 57(1): 71-81. [14] 李亦庄,黄明欣. 基于中子衍射和同步辐射X射线衍射的TWIP钢位错密度计算方法[J]. 金属学报, 2020, 56(4): 487-493. [15] 朱健, 张志豪, 谢建新. 基于原位TEM拉伸的稀土H13钢塑性形变行为和断裂机制[J]. 金属学报, 2020, 56(12): 1592-1604. Viewed Full text Abstract Cited   Shared      Discussed