SiCf/TC17���ϲ���������Ϊ�о�
����, ������, ����, �׼ҷ�, ����
�й���ѧԺ�����о���, ���� 110016
ժҪ

�о���SiCf/TC17���ϲ��ϵ����¡�����(773 K)�������ܼ�����ѻ���. �������: SiCf/TC17���ϲ������¡�����Ӧ��-Ӧ����������ά�ߵ��Ա��κͻ��������̶�Ӱ����ֲ�ͬ����״; ���¶��ѻ�����Ҫ�Ƿ�Ӧ���ζ��ѡ���άһ�ζ��Ѻͻ�����Զ��ѵ�, ���¶��ѻ�����Ҫ����ά��ζ��ѡ��������Զ��Ѻʹ�Χ�Ľ�������; ��ά�ۼ����������ʺ��ڶ�SiCf/TC17���ϲ��϶���ǿ�ȵĹ���, �������¶���ǿ�ȷ����ٽ������ά�����ڻ����3ʱ�ľֲ��е��غ�ģ��, ���¶���ǿ�ȷ��Ͼ��ȳе��غ�ģ��. ��϶��ѻ��ƺ�ǿ�ȹ�����, ��ϸ������SiCf/TC17���ϲ������¡�����������ѹ���.

�ؼ���: �ѻ����ϲ���; SiC��ά; ��������; ���ѻ���; ���ѹ���
��ͼ�����:TG146.23
STUDY ON TENSILE BEHAVIOR OF SiCf/TC17 COMPOSITES
Xu ZHANG, Yumin WANG, Qing YANG, Jiafeng LEI, Rui YANG
Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016
Correspondent: WANG Yumin, associate professor, Tel: (024)83978948, E-mail:yuminwang@imr.ac.cn

�� ��, ��, 1983����, ��ʿ

Abstract

Tensile properties and fracture mechanisms of SiCf/TC17 composites at room temperature and 773 K were studied. The results show that fiber elastic deformation and matrix yielding contributed to the shapes of the stress-strain curves of SiCf/TC17 composites, which were the bilinear appearance at 298 K and the slight curvature at 773 K. Major fracture mechanism of SiCf/TC17 composites at room temperature were as follows: multiple fractures of the interfacial reaction layer, single fiber fracture, matrix brittle fracture etc.. Typical fracture mechanism of SiCf/TC17 composites at elevated temperature were as follows: multiple fiber fracture, matrix plastic fracture, interface debonding etc.. Fiber cumulating damage theory was proved to be suitable for estimation of the fracture strength of this composite. The calculations of local loading sharing model while taking three or more fibers failure into account and global loading sharing model were close to the experimental values of room temperature and elevated temperature respectively. In addition, according to fracture mechanisms and strength prediction, tensile fracture process of SiCf/TC17 composites at room and elevated temperature were explained in detail. At room temperature, multiple fractures of the interfacial reaction layer started at first, and then the weak fiber fractured gradually and randomly. After critical fiber cluster has been formed by nearby broken fibers, the crack extended into the matrix from these fibers. With the increase of load, the fibers and the matrix at the tip of crack gradually destroyed. At the same time, the cracks from other critical fiber clusters were also expanding and connecting to each other. When the crack area has reached the critical level, the remaining fiber and matrix quickly fractured. However, at elevated temperature the matrix yielded firstly, and then multiple fracture randomly of the interfacial reaction layer and the weak fiber occurred sequentially. The crack from broken fiber deflected at interface between fiber and matrix, caused interface debonding. With the increasing of broken fiber number, the micro-cavities of matrix emerged gradually in the stress concentration area. When the total crack area accumulated by the broken fibers and micro-cavities of matrix has reached the critical level, the remaining fiber and matrix quickly fractured.

Keyword: titanium matrix composite; SiC fiber; tensile property; fracture mechanism; fracture process

����SiC��ά��ǿ�ѻ����ϲ��ϱȴ�ͳ�ѺϽ���и��ߵı�ǿ�ȡ���ģ���Լ������¶�, Ӧ��ǰ���dz��㷺, �����ǽ����Ƴ�ת�ӡ�ҶƬ�Ȳ���Ӧ���ں���ȼ�����ַ�������, �ɼ���ؼ��ᷢ��������, ��߷������Ĺ���Ч��[1,2]. ����ά��������������Ǹ��ิ�ϲ�������Ҫ����ѧ����֮һ, �ѵõ��˹㷺�Ĺ�ע�Լ���Ϊ������о�, ��Ӱ�����ذ����������ά����[3,4]����ά�������[5]�����Ϲ���[6]�����Ա�γ���[7]����������[8]����������[9,10]��, ���, ����SiC��ά��ǿ�ѻ����ϲ����������ܼ���ʧЧ���Ƶķ������Ե���Ϊ����, ���ҹ۵㲻һ. Ŀǰ�����ձ���ܵ�ʧЧ����Ϊ��ά�ۼ�����ģʽ, ���ڼ��ع�����, ������άǿ�ȴ��ڷ�ɢ��, ʹ�ô�����ά�����������, �����ⲿ�ֶ�����ά�е����غɽ�ת�Ƹ�����δ����ά. ���ݶ�����ά�γɵ�Ӧ�������Ƿ����Ըı���ά�ۼ����˵������, �ɽ��ۼ�����ģʽ��Ϊ���ȳе��غ�(global loading sharing, GLS)ģ�ͺ;ֲ��е��غ�(local loading sharing, LLS)ģ��[5,11]. ǰ����Ϊ������ά�γɵ�Ӧ�����в����Ըı���ά���ۼ����������, �غ�������������δ�ϵ���ά��ͬ�е�; ��������Ϊ�ֲ�Ӧ�����в��ɺ���, ������ά���غɽ�ת�Ƶ���Χδ�ϵ���ά��, ʹ����Ѹ�������.

���ܹ���SiC��ά��ǿ�ѻ����ϲ����Ѿ��ó���һЩʧЧģ�ͺͶ��ѻ���, ����Ŀǰ���ڸ��ϲ�������ά����Ӧ��ͻ���Ķ���˳���Լ����ϲ��ϵĶ��ѹ�����Ȼû�еõ�����������, �ر��Ƕ���SiCf/TC17���ϲ���, ����ѧ���ܸ������б���. TC17�Ͻ���Ϊ�Ʊ����ַ������̶ͼ�����Ҫ����, �ѳ�Ϊ�ѻ����ϲ��ϵ���ѡ����֮һ, ���, �о�SiCf/TC17���ϲ��ϵ����¡������������ܼ�����ѻ���, �Ը��ิ�ϲ��ϵ�Ӧ�þ�����Ҫ��ʵ������. ���������ôſؽ�������˿��������ȵȾ�ѹ��ʽ�Ʊ�SiCf/TC17���ϲ���, ���������������(298 K)�͸���(773 K)�������, ͨ�������Ͽڱ��漰�����ڲ���ò�������ά�ۼ�����ģ�͵ļ�����, �����SiCf/TC17���ϲ��ϵ����º͸���������ѻ���, ���������ܽ�������ѹ���.

Fig.1 Schematic of tensile specimen of SiCf/TC17 composites(unit: mm)ͼ1 SiCf/TC17���ϲ�����������ʾ��ͼ

1 ʵ�鷽��

ʵ������SiC��ά���û�ѧ���������(CVD)����, ֱ��dfΪ103 ��m, C����Ϊ1.6 ��m, ����ǿ����Weibull�ֲ������������ǿ�� s0Ϊ3611.4 MPa, Weibullģ��mΪ8.0. TC17�Ͻ�����ɷ�ΪTi-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (��������, %). ����˫�԰дſؽ����ǽ�����TC17�Ͻ������SiC��ά�����Ƴ�SiCf/TC17���ϲ�������˿, �ٽ�����˿װ��TC17�Ͻ���׹���, ��������ܷ⡢�ȵȾ�ѹ���ͺ�õ�SiCf/TC17���ϲ��ϰ�״��Ʒ.

��SiCf/TC17���ϲ��ϼ�������ͬ�ȵȾ�ѹ���̵�TC17�Ͻ��״��Ʒ���ӹ�����������, �����ߴ���ͼ1��ʾ. ����SiCf/TC17���ϲ��������������о�����ϲ���ֱ��3.6 mm, ���ϲ�������ױں�0.45 mm, ��ά��������Ʒ�е��������VfΪ33%. ����������л�е�׹���������е�ӹ��ۼ�. ���������Instron5582��������������Ͻ���, ʵ���¶�Ϊ298��773 K, ��ά����ƽ���ڼ��ط���, ƽ��Ӧ������Ϊ1 mm/min.

����S-3400Nɨ�������΢��(SEM)������Ͽڼ��Ͽڸ�����������ò���й۲�. ������������Ʒ���Ʊ�����Ϊ: �����������и�����������Ʒ�Ͽ�����5 mmλ���ش�ֱ����ά������ȡ������Ʒ, ��������Ƕ�̶����ٽ��л�е��ĥ���׹�, ��ĥʱΪ�������ά�������, ɰֽ�ͺ�����ѡ�ÿ����Ƚ�С��600, 1000��2000��, ��������ѺϽ�ʴҺ(3%HF+10%HNO3+87%H2O (�������)�Ļ����Һ)����Ʒ������и�ʴ.

2 ʵ����
2.1 SiCf/TC17���ϲ���΢�۽ṹ

ͼ2���ȵȾ�ѹ���κ�SiCf/TC17���ϲ��ϰ�״��Ʒ��΢����ò. ���Կ���, ��ά�ķֲ�����, ���ֽ������Ų�, ����������û�з��ֿ׶�����϶��δѹʵ�ļ���. ��ͼ2b�ɼ�, SiC��ά�����Ľ������, ����ά�ͻ���֮���γ�һ�����ԼΪ1 ��m�Ľ��淴Ӧ��, ��Ӧ����Ҫ�ɷ���TiC[12,13], �ᵼ�½��������Ӳ�Ⱥʹ�������. �ȵȾ�ѹ��, ����δ���ĵ�C����ԼΪ1.6 ��m, C������ά��C���뷴Ӧ�㡢��Ӧ�������3�ֽ��涼û�з��ֿ��ѵļ���. ����, ��ά��Χ����Ϊ a+ bϸС���ᾧ��֯, ͼ2b�л������ɫ����Ϊ a��, �Ұ�ɫ����Ϊ b��.

2.2 SiCf/TC17���ϲ������º͸�����������

SiCf/TC17���ϲ��Ϻ�TC17�Ͻ�����¡�����������������1��ʾ. �ɼ�, ���ϲ�����298��773 K�Ķ���ǿ�ȷֱ�Ϊ1717��1341 MPa, �����TC17�Ͻ����, ����ǿ�ȷֱ�������62.1%��84.7%. �ɼ�, ����ʱ��ά��ǿЧ����������, �������ڸ���ʱ�������ܴ���½�, �����ϲ�������ά���ܲ��������Խ���[10]�Ľ��. ����, ���������, 773 Kʱ����ĵ���ģ������36 GPa, �����ϲ��ϵĵ���ģ��������12 GPa, ����ʱ���ϲ����е���ά����ģ���������������½�, ˵�����ϲ��ϵĵ���ģ����Ҫ����άģ������.

Fig.2 Cross-section of the SiCf/TC17 composites rod showing regular distribution of fibers (a) and overview of interface between fiber and matrix (b)ͼ2 �ȵȾ�ѹ��SiCf/TC17���ϲ��ϵ�΢����ò

ͼ3ΪSiCf/TC17���ϲ��Ϻ�TC17�Ͻ�����º͸�������Ӧ��-Ӧ������. �ɼ�, ���ϲ��ϵ���������Ӧ��-Ӧ�����߳��ֳ����͵�˫ֱ����״, ˫ֱ�߼�Ĺյ�(1150 MPa)����Ϊ�Dz��ϵ�����ǿ��[7,14], �յ�֮ǰ���ϲ��Ϸ��������α�, Ӧ����Ӧ����������, ֱ�ߵ�б�ʼ�Ϊ���ϲ��ϵĵ���ģ��, �յ�֮����巢��΢С����, ʹֱ��б�ʽ���. �ڶ���ֱ�ߵij�ʼ��ĩβ�жദС����������, ˵�������ھֲ����塢��ά�������ܷ����˶���. ���ϲ�����773 K������Ӧ��-Ӧ�����߳��ֽ������ص�, �������ڸ���ʱ���������㽵��, ���Ҽ��ع����н������ʹ����ת���غɵ������½�, ��ɻ��巢����Χ���Ա���, �Ӷ��ı���Ӧ��-Ӧ�����ߵĵ�������. �Ӹ��ϲ�����773 KӦ��-Ӧ���������޷�ֱ�ӻ������ǿ��, �����������773 K��Ӧ��-Ӧ������, ���ҿ��ǻ������Ӧ����Ӱ��, ���Լ�Ӽ��㸴�ϲ��ϵ�����ǿ��. ͼ3��TC17�Ͻ���773 Kʱ������ǿ��Ϊ613 MPa, ����[15]��������Ԫ��������ó�773 Kʱ���ϲ����л�������������Ӧ��Ϊ166 MPa, ��ζ�Ÿ��������غ������¸��ϲ����еĻ��彫��447 MPa (TC17����ǿ�ȼ�ȥ�������������Ӧ��)ʱ��ǰ����, ��Ӧ����TC17�Ͻ�773 K��Ӧ��-Ӧ�������ж�Ӧ��Ӧ��Ϊ0.57%, �����ϲ��ϵ�����Ӧ��, ���ɸ��ϲ�����773 K��Ӧ��-Ӧ�����߿�֪, ��Ӧ���Ӧ��ǿ��Ϊ1006 MPa, �����ϲ��ϵ�����ǿ��. ����ͬ��������������ʱ���ϲ��ϵ�����ǿ��Ϊ1126 MPa, ����Ӧ��-Ӧ������ֱ�ӻ�õ�����ǿ��(1150 MPa)ƫ���-2.1%, ˵�����ø÷������㸴�ϲ��ϵ�����ǿ���ǽ�Ϊ׼ȷ��. ���÷��������ʺϹ��㸴�ϲ��ϵĶ���ǿ��, ��Ϊ�������ϲ��϶��ѵ�����άǿ�ȶ��ǻ���ǿ��, ���ҵ���������������ά���Ѻͽ�����𤿪��, ��άӦ�䡢����Ӧ���븴�ϲ���Ӧ�佫���ٱ���һ��.

Table 1 Tensile properties of the SiCf/TC17 composites and TC17 alloy at 298 and 773 K ��1 SiCf/TC17���ϲ��ϼ��������������

Fig.3 Stress-strain curves for the SiCf/TC17 composites and the TC17 alloy at 298 and 773 K (Curves for SiCf/TC17 composites were plotted to fracture, curves for TC17 alloy were interrupted at 2% strain, some slight fluctuations in the straight line were marked by dotted square)ͼ3 SiCf/TC17���ϲ��ϼ�TC17�Ͻ������Ӧ��-Ӧ������

2.3 SiCf/TC17���ϲ�������Ͽ���ò

2.3.1 SiCf/TC17���ϲ�����������Ͽ���ò

ͼ4a��SiCf/TC17���ϲ��ϵ���������Ͽ�ȫò, ͼ�������ط�ӳ�����ϲ��������������ⲿ���׺�о�����ϲ���2�������, ���а��׵ĵ��ͶϿ���ò��ͼ4b��ʾ, �Ͽ��ϴ��ڴ�������, ���������ǰ�����˽ϴ�����Ա���. ��ȫ��һ�ܵİ��׶Ͽ��϶�û�з��ִ��Զ��ѵļ���, ˵�������������غ������·������Զ���, ���׵Ķ��ѷ�����������̵����׶�. о�����ϲ��ϵĶϿڰ�����߶ȿ��Դ����Ϊ5����ͬ�Ķ�������, ��������1, 2, 3��5�ڵĻ�������Ϊƽ̹, ����4�ڵĻ����������ϴ�.

��ƽ̹������3�Ŵ�۲�, ��ͼ4c��d��ʾ. �ɼ�, �������ƽ̹, ������·��������˿��״����������������ڶ���ķ�ɢ��״, ��ʾ�����Զ���ģʽ. ��ά�Ķ���ͬ����ʾ�����ԵĴ��Զ��Ѽ���, �������������, ������ά���漸������Χ������洦��ͬһƽ��, ����û�����ԵĿ��Ѽ���, ��������������ά���ְγ�����, �Ұγ���������. ����SEM�ĵ������۽��߶�, ���Բ�������ά�γ���ƽ���߶�Լ0.2 mm. ����, ��ijЩ��ά�γ������µĿն��ڱ�, �����������IJ���C��, ����˵���γ���ά�Ķ��ѹ�������άо����ʼ, ��������չ, �����Ƶ���C���, ������ʯī̼��Ƭ������ƽ������ά����, ��˼��׷���C������, �γ����ƶۻ���ƫת, �������������¶Ͽڵ�ƽ̹�����в�������. ����1, 2��5�ĶϿ���Ҫ�ص�������3����һ��. ����ϴ������4�Ŵ�۲���ͼ4e��f��ʾ. ������������̶����Դ�������3, �����г����˴�������, ֤���������ǰ���������Ա���, �����ģʽΪ���Զ���. �ӻ�����ò�����ƶ�, ����4�Ķ��ѷ���������1, 2, 3��5����֮��. ͬ��, ������4��, ��ά��������Χ���弸������ͬһƽ��, �������Ż�������������ߵͷֲ�. ����, ��������ά/�������Ŀ��ѳ̶����Դ�������3, ���ǰγ���ά�������ͳ���û����������, ˵��������������, �������ϲ�������ά/����Ľ�����ǿ�Ƚϴ�.

2.3.2 SiCf/TC17���ϲ��ϸ�������Ͽ���ò

ͼ5a��SiCf/TC17���ϲ���773 Kʱ����Ͽڵĺ����ò. ���׶Ͽڵ���ò��ͼ5b��ʾ, ���������û�б仯, ����ʾ����״, ����ѷ�ʽΪ���Զ���. о�����ϲ��ϵĶϿ���ò�������ʱ�����������仯, �����Ͽ��ϻ�������̶ȴ�, ���漫������, û�����ƽ��������, ���޷����ֳ���������ʱ���ڶ����ͬ����ƽ�������.

ͼ5c��SiCf/TC17���ϲ���773 K����Ͽڵĵ��;ֲ�ͼ. ��ά��������Χ������沢������ͬһƽ��, �Ͽ��г����˴�������ά�γ�����, ��ά�γ���ƽ������ԼΪ0.5 mm. �ɼ�, �����ǰγ��������ǰγ�����, ��������Ͽڶ�������������Ͽ�, ˵��773 Kʱ���ϲ��ϵĽ�����ǿ��С������. ������ά���ְγ���������, ��Щ��ά�е�WоҲ�����ˡ��γ�������, ��ͼ5d��ʾ, ��ζ�Ÿ���ʱWо��SiC��ά�Ľ�����ǿ���½�. ����, �ڼ������Ͻ�����ά��, ���������ƽ������ά�������������, ��ͼ5e��ʾ, ���Ǵ�ʹ��������ƹ���ά��������������������, �Ӷ��ڸ��ϲ������γ���һ���ϳ�������������. ����������γ���Ҫ��������ά�����ϱ�, ��Ӧ��ͻ�������������Ӧ�������Ե��. ������������������Ͽ���Ҳ�г���(ͼ4d), �����ڻ���û�з������ģ�����Ա���, ���ҽ������������, ʹ�������ױ��۲쵽. ��ʵ��, ����ʱ֮���Գ����˶�����ڲ�ͬ����ƽ�������, ��������ijһ����������չ�Ĺ����б�������������ֹ, �˺�, ���ڶ����ͬƽ���������չҲ��̱�������������ֹ, ���γ��˼�������ƽ̹�������չ̶�����, ���и�����ı߽�, ����ƽ������ά���������������. ��������[15], ����ʱ��������������Ӧ�����ڸ���ʱ�ĸ�Ӧ��, �������ʱ�������γ�����������. ͼ5fҲ��ӳ��������������л��巢���˴��ģ�����Ա���, ���ص�鼰�����Ͽ�, ��˿���ȷ������ʱ����Ķ�����ʽΪ���Զ���. �������¶Ͽ�����4�еĻ��������ʽҲΪ���Զ���, �����ѷ���, ��������ʱ��������Ա�������������. ����, ͼ5f����ӳ������ʱ����C��/��Ӧ�������𤿪��֮��, W/SiC����Ҳ�����˿���, ����SiC��W�ķ�Ӧ��������SiCһ��. �������ٴ�˵������ʱW/SiC�Ľ�����ǿ�����������Ҳ�����½�.

Fig.4 Fracture morphologies of the fracture surface of the SiCf/TC17 composites at 298 K(a) fracture surface divided into 5 regions by height(b) dimples in the TC17 canning(c) flat fracture region 3(d) magnification of the area surrounded by black frame in Fig.4c(e) irregular fracture region 4(f) magnification of the area surrounded by black frame in Fig.4eͼ4 SiCf/TC17���ϲ���298 K����Ͽ���ò

2.4 SiCf/TC17���ϲ���������ѻ���

2.4.1 SiCf/TC17���ϲ�������������ѻ���

SiCf/TC17���ϲ�����������Ͽ���(ͼ4a)ƽ̹����1, 2, 3��5�������������ò��ͼ6��ʾ. ��ͼ6a���Կ���, ���ϲ��϶�������ʾΪһ�����������, ˵����������չ�����з���������ƫת, ��2���������໥�Խӵ�����. ��ά�������ھ������300 ��m����, �෢��һ�ζ���, ������ά������ζ���, ͼƬ������ֱ�������Ͽڸ�Զ������û�й۲쵽��ά��������. �������ά�Ķ������Ϊƽ��, ������Ͽ�ƽ��ƽ��, ����ֱ����ά����, ˵����ά������Ҫ�ܵ����������غ�����. ͼ6b�ǶϿڸ�����һ��������ά, �䷴Ӧ�����εظ����ڻ�����, ���ҷ�Ӧ���д���һЩ��������, �������Ӧ���������û��������Χ����Ķ���, ��������������ά������ķ�Ӧ�����������չ���뵽����, ��Ϊ��������������ѵ�����Դ, ��ͼ6c��ʾ. ͼ6d�Ƕ����渽�����͵Ļ�����ò, ����Ķ���ƽ��, û�����Եı��κۼ�, ��ʾ���������ѵļ���. ��������˵��������ѷ���������Χ��ά����֮��, �Ƿ�Ӧ�������ڻ�������չ����.

Fig.5 Fracture morphologies of the fracture surface of the SiCf/TC17 composites at 773 K(a) panorama of fracture surface(b) dimples in the TC17 canning(c) local irregular fracture surface(d) tunsgen "pull-out"(e) longitudinal matrix cracks(f) interface debonding and matrix damage in a ductile wayͼ5 SiCf/TC17���ϲ���773 K����Ͽ���ò

SiCf/TC17���ϲ�����������Ͽ���(ͼ4a)����ϴ�����4�������������ò��ͼ7��ʾ. ��ͼ7a���Կ���, �����治��ͬһˮƽ����. ��ά���������ȱ�ƽ̹���������, �ھ������1 mm�����Կɹ۲쵽��ά���Ѽ���, ���������ά�������˶�ζ���, ͼƬ�������Ͽڸ�Զ������û�з�����ά��������. ������ά�Ķ������Ϊƽ��, ��ֱ����ά����, ������ά�Ķ���������ά����н�С��90��, �Ҷ������˽�Ϊ����, ��ά�Ͽڸ����ۼ��Ŵ�������ά��Ƭ, Wо�����˶�ζ���. ����, ������ά�����Ļ��������Ա��εļ���, ��ͼ7b��ʾ, ˵�������������ص���ά, ����Ѳ������������غɹ���ʹ��ά������ڲ�ȱ�ݲ������Ʋ����ٹᴩ��ά����, ������ά�����ܵ�����ļ�ѹ��, �ֲ��γɶ������Ʋ��໥���������ӵĽ��. SiC��Wо��Ƭ�����֮��, ���������ع۲쵽��Ӧ���д��ڴ����ĺ�������, ��ͼ7c��ʾ, ��Щ����û����չ�������. ͼ7d�Ƕ����渽�����͵Ļ�����ò, �ɼ�, �ϿڵĻ��巢���˽ϴ�̶ȵ����Ա���, �����ڲ�����һЩ΢�׶�. ��������˵���������ڻ�����ѷ���������Χ��ά����֮��, ���������غɹ�����������Զ���, �����������ڲ�΢��, ����Դ���ڶ�����ά�����ķ�Ӧ��������.

Fig.6 Typical morphologies of longitudinal section related to the flat fracture regions in fracture surface of the SiCf/TC17 composites at room temperature(a) partial macromorphology of longitudinal section(b) multiple fracture of reaction layer near damaged fiber(c) matrix cracking from the damaged reaction layer following fiber fracture(d) flat fracture surface of matrixͼ6 SiCf/TC17���ϲ�����������Ͽ���ƽ̹����������������ò

�ӻ����α����Ĵ�С����, ����ϴ�����Ķ��ѷ�����ƽ̹�������֮��, ��Ӧ������Ӧ��-Ӧ�������еڶ���ֱ�߶ε�ĩ��, �����ƽ̹����Ķ��Ѷ�Ӧ������Ӧ��-Ӧ�������еڶ���ֱ�ߵĿ�ʼ, �ڶ���ֱ���г��ֵļ��������ܿ��������ں�������������չ;�����������������, ��չͻȻֹͣ�������Ʒ��������.

2.4.2 SiCf/TC17���ϲ��ϸ���������ѻ���

SiCf/TC17���ϲ���773 K����Ͽڸ��������������ֲ���ò��ͼ8��ʾ. ��ͼ8a���Կ���, ���ϲ������������״��������, �������Ա����Լ���ά�γ���������. ��ά��������Զ�����������������2 mm����, ��ά������ζ���, ��ά���˳̶ȴ�������, ������ά�Ķ���������ά������һ���Ƕ�, ˵����ά����ʱ�ܵ��˼�����������. ���������ά���������Զ���, ����û�����Wо�Ķ�ζ���. һЩWоҲ�����˰γ�����, ��ͼ8b��ʾ. ͼ8bȫ���չ������ά�����Զ��ѡ�������𤡢����ƫת����ά���ơ����渽���������Ա��κ͡�Wо�γ�������, ��Щ���ѻ��ƶ��ܹ���һ���̶����������Ƽ������, �����谭������չ������. ������Щ���Ƶ�ԭ���Ǹ���ʱ���洦�ľ������ѹӦ������, ��ɽ�����ǿ���½�. ����ʱ, ��ά�����渽���ķ�Ӧ����Ȼ�д�����������, ��ͼ8c��ʾ, ��������ʱ��Ӧ��Ķ���������, ����ʱ��ζ��ѷ�Ӧ��ĺ��������ܶȼ�С, ���Ƽ��Ӵ�, ���Ǹ���ʱ�������ǿ���½��Ľ��. ����, �ܶ���ά�����渽���ķ�Ӧ���϶�𤸽�������IJ���C��, ��ЩC���뷴Ӧ��һ������ζ���, ˵����Щ��ά�Ķ�����Դ���ڲ�����������, �����Ƶ���C���, �����ۻ�����ƫת, û����չ�������. ͼ8dΪ�Ͽڸ�������ĵ�����ò. �ɼ�, �����ڲ����ִ����Ŀն�, ˵�����巢���˽ϴ�̶ȵ����Ա���, ��������������Ʒ�Ļ�����渽��, û�й۲쵽������Զ��ѵļ���.

Fig.7 Typical morphologies of longitudinal section related to the irregular fracture region in fracture surface of the SiCf/TC17 composites at room temperature(a) partial macromorphology of longitudinal section(b) multiple fracture of tungsten core and matrix plastic deformation near the damaged fiber(c) multiple fracture of reaction layer near damaged fiber(d) irregular fracture surface and micro-cavities of matrixͼ7 SiCf/TC17���ϲ�����������Ͽ�������ϴ�����������������ò

����ʱ, ���������¼�����Ӱ�콫��ǰ����: ��һ, ����ʱ����������������; �ڶ�, ����(��������¶�)ʱ��������Ȼ�в��ֵ����������Ӧ��δ���ͷ�; ����, ������ǿ���½����½��洫���غɵ���������, ������ܵ��غ�����. ���, ����ʱ����άδ�������غ�����֮ǰ, �����Ѿ���������, ������λ�����ά�����γ�ѹ���غ�, ���Ż��������������, ѹ���غ�����, ��ά���Ż��徱������(����ط����55��н�)����. ���ڸ�ѹ���غ�Ϊ���غ�, �����ά���沢���ǵ�һ��������, ���Ƕ�Ƭ��ġ������ṹ��[16], ��֮ǰ�ᵽ����ά�����Զ���, ��ͼ9a��ʾ. ��Щ��ά�Ķ���ͨ����Դ��W/SiC����, �������ڸý��淴Ӧ����ΪW2C, WSi2�ȴ�����, �ҷ�Ӧ���Ƚϱ�, Լ120 nm[17], ����ǿ�Ƚϵ�. W/SiC���淴Ӧ������Ժ�, ����SiC�����Լ�W/��Ӧ��������, ���, ���������ṹ���е�SiC��Ƭ�����֮��, ���Թ۲쵽������Wо����������, ��ͼ9b��ʾ. �ɼ�, Wо���γ������������������ϵİγ�����, ������ά�γ���Ȼ��ͬ, �����ǵ���ά���ѷ���������ӽ����г�γ���. ����ʱWо������ζ��ѵ�û�з������γ��������ڽ�����ǿ�Ƚϴ��Ե��.

Fig.8 Typical morphologies of longitudinal section of fracture surface of the SiCf/TC17 composites at 773 K(a) partial macromorphology of longitudinal section(b) a damaged fiber with many fracture mechanisms(c) multiple fracture of reaction layer and C-coating layer near damaged fiber(d) irregular fracture surface and micro-cavities of matrixͼ8 SiCf/TC17���ϲ���773 K����Ͽڵ������������ò

�Աȿɼ�, ����ʱ���ϲ��϶Ͽ��ж��ֶ��ѻ��������¶Ͽ�����ϴ�������ֵĶ��ѻ�������, ����������Ա��Ρ����濪�ѡ���ά��ζ��ѵ�, ֻ�Ǹ���ʱ, ��Щ���Ƶij��ָ����ձ�, ������������, ���ҶԸ��ϲ��ϵĶ������˹������������. �������¶Ͽ�����ϴ�������Ҳ����������¶Ͽ����ƵĶ��ѻ���, �������ƽ̹����Ķ��ѻ���, ���濪�ѡ��������Ա��εȻ����������Ͽ��г���Ƶ�ʽϵ�, �������ʱ���ϲ��϶������˹�����Ҫ��ƽ̹����Ķ��ѻ��ƾ���.

Fig.9 Fiber fracture of the SiCf/TC17 composites in tensile testing at elevated temperature(a) formation of pancake structure(b) formation of tungsten core pull-outͼ9 SiCf/TC17���ϲ��ϸ�������ʱ����ά����

3 ��������
3.1 SiCf/TC17���ϲ������º͸����������ǿ��

SiC��ά��ǿ�ѻ����ϲ��ϵĶ���ǿ��һ���ɻ�϶���(ROM)[18]���й���, ���Ǹö��ɼٶ�������ά�Ŀ���ǿ��һ��, ���ع�������ά�ϵ�Ӧ���ֲ���ͬ, ����Ȼ��ʵ�ʲ���, ��˹��������ϴ�. ��ʵ��, ��ά����ǿ�Ⱦ���һ���ķ�ɢ��, �������ڲ��Ͻṹ���Ʊ����յ�ԭ��ʹ��ά�ڻ����е�Ӧ���ֲ����ڲ��. GLSģ�ͺ�LLSģ�Ϳ�������άǿ�ȷ�ɢ���Լ�����ά���Ѻ��غ��ٷ��������, �����ǿ�ȹ���ֵ�����ڶԸ��ϲ��϶��ѻ��Ƶķ��������ѹ��̵Ľ���.

3.1.1 GLSģ�� Curtin[19,20]��չ��GLSģ��, ��ģ�ͽ����ϲ�����Ϊһϵ����������Զ����Ļ���, ÿ�����ڵij���L������ά�ڻ����л��Ƴ��ȵ�2��. ��ijһ���������е���ά���Ѻ�, �غɽ�������������δ�ϵ���ά��ͬ�е�, ��ά������ۼ������������ϵ����ն���, ����ά���Ѻ������Ӧ�����в����Ըı���ά�ۼ����˵������, ��˲���Ӧ�����е�Ӱ��. ��GLSģ�ͼ��㸴�ϲ��ϵĶ���ǿ��, �ɲ�����ʽ���м���[4,11,18,21]:

Table 2 Experimental and model prediction results of fracture strength for the SiCf/TC17 composites ��2 SiCf/TC17 ���ϲ��϶���ǿ�ȵ�ʵ��ֵ��ģ�͹�����

��comp=Vf��c2m+21m+1m+1m+2+1-Vf��my(1)

ʽ��, scompΪ���ϲ��ϵĶ���ǿ��; VfΪ���ϲ��ϱ�β��ֵ���ά�������, 33%; mΪWeibullģ��, ȡ8.0; smyΪ���ϲ��϶���ʱ���������Ӧ��; scΪ���ϲ�������ά���Ƶ��ٽ�ǿ��, ����ʽΪ[5,8,14]:

��c=2��0m��L0df1m+1(2)

ʽ��, s0Ϊ��ά��Weibull�ֲ�����ǿ��; tΪ���滬��Ӧ��; L0Ϊ���ϲ�������������γ���, 22.5 mm; dfΪ��άֱ��, 103 ��m.

��ϱ����������Ʊ����պ���ά-�������Ľṹ�ص�, ���ο�����[22~24], ���¼�773 Kʱ t�ֱ�ȡ138��78 MPa; smy��ȡֵ��Ҫ���ǻ�������������Ӧ��Ӱ��. ��������ʱSiCf/TC17���ϲ��ϵĶ���Ӧ����0.91%, �������ϲ��϶���ʱ, ������������غɲ�����Ӧ��ҲΪ0.91%, �ɻ��������Ӧ��-Ӧ������(ͼ2)��֪, ��Ӧ���Ӧ��Ӧ��Ϊ951.3 MPa, ���ϻ�����е����������Ӧ��275.6 MPa[15], ���ϲ��϶���ʱ���������Ӧ��Ϊ1226.9 MPa. ��ͬ����ʽ����, 773 Kʱ smyȡֵΪ735.6 MPa. �ɼ�, ���÷�������ĸ��ϲ��϶���ʱ���������Ӧ�����Դ���TC17�Ͻ�����º͸����������ǿ��, ���ܵ�ԭ���Ǹ��ϲ����л���ľ����ߴ�ϸС(��10 ��m), ������ϸ��ǿ������. ����ʱ, ��ά�ڴﵽ�俹��ǿ�Ⱥ����, s0��ȡֵΪ3611.4 MPa, ��773 Kʱ������ά�ܵ������ѹ���غɶ���, ����ǿ�ȴﲻ����ά����ǿ��, ��� s0��ȡֵ�迼�ǻ���������Ӱ��. 773 Kʱ, ���ϲ��ϵ�����Ӧ��Ͷ���Ӧ��ֱ�Ϊ0.57%��0.79%, ��ά����Ӧ����ڶ���֮��, ������ѡȡ��ƽ��ֵ0.68%, ����ʱ��ά����Ӧ��Ϊ0.91%, ��773 Kʱ s0��ȡֵΪ3611.4 MPa��0.68%/0.91%=2698.6 MPa. SiCf/TC17���ϲ������º͸��¶���ǿ�ȵ�GLSģ�͹���������2.

3.1.2 LLSģ�� LLSģ����Ϊijһ����ά���Ѻ�, ������Χ��������ά���Ӧ������, ��������Ѽ���, ���ڽ��Ķ�����ά�ﵽһ������, ���γ��ٽ������ά�غ�, �������ϲ��϶���. ��i���ڽ�������ά�γ��ٽ������ά�ص��²��϶���ʱ, ���ϲ��϶���ǿ�ȵ�LLSģ�ͱ���ʽΪ[14,18]:

��comp=Vf��0L0iNC1im+(1-Vf)��my(3)

ʽ��, iΪ�γ��ٽ������ά������Ҫ���ڽ�������ά����; NΪ������������е���ά����, ȡ575��; C����дΪʽ(4)����ʽ[14]:

C=��j=1iCj(4)

ʽ��, CjΪ���г��ȵ�λ�ij���, ����C1ȡ���������ı�γ���, Ϊ22.5 mm; C2, C3��C4�ı���ʽ����[14], ����Cj�ɲο�����[14]����õ�:

C2=12��0��c1+k1mdz(5)

C3=12��0��c1+k1mdz+4��0��c1+2k1mdz(6)

C4=12��0��c1+k1mdz+6��0��c1+2k1mdz(7)

ʽ��, k1ΪӦ����������, ȡ4%[14,21]; dcΪ���ϲ�������ά���Ƶ��ٽ糤��, �����ʽΪ[5,8,14]:

��c=��0dfL01m2��mm+1(8)

��LLSģ�ͼ��������, Vf, s0, L0, m, smy�� t��ȡֵ��GLSģ�ͼ��������һ��. ����ʽ(3)~(8), �ֱ��������1~4���ڽ�������ά�γ��ٽ�����ʱ���ϲ��ϵĶ���ǿ��, �������2��ʾ. ����2��֪, ����ʱGLSģ�͹��ߵع����˸��ϲ��ϵĶ���ǿ��, ��������ʵ��ֵ���Բ���. ��LLSģ���е�i=3��i=4ʱ�ļ�������ʵ��ֵʮ���Ǻ�, ƫ��ֱ�Ϊ-1%��2%, ��i=1��i=2ʱ, ��������ʵ��ֵƫ��ϴ�. ��������ʱSiCf/TC17���ϲ��ϵ�������LLS����ģʽ����, ��������������ά���Ѻ�, ��ά���������Χ�������ά��ɵĽϴ��Ӧ������, ������Χ��ά����, ��3�����ϵ��ڽ�������ά�γ��ٽ������ά�غ����������ƵĿ�����չ. Gonz��lez��[14]��Li��[21]����LLSģ�Ͷ�SiCf/Ti-6Al-4V���ϲ��ϵ����¿���ǿ�Ƚ��й���, ��������ʵ��ֵҲ�����Ǻ�. 773 Kʱ, GLSģ�͵ļ�������ʵ��ֵ����һ��, ƫ��Ϊ3%, ��LLSģ�͵�4������������Ե���ʵ��ֵ. ˵������ʱSiCf/TC17���ϲ��ϵĶ��ѹ�����GLS����ģʽ����, ��������������ά���Ѻ�, �������, �����ڽ��洦����ƫת, �������Χ��ά���Ӧ������, ��ά�����������. ��ǰ�Ŀɼ�, ���º͸�������Ͽڼ�������������ʾ����ò�ֱ���LLSģ�ͺ�GLSģ�ʹ����Ķ��ѻ������Ǻ�, ͬ��֤����LLSģ�ͺ�GLSģ�Ͷ�SiCf/TC17���ϲ��϶���ǿ��Ԥ��Ͷ���ģʽ������׼ȷ��.

3.2 SiCf/TC17���ϲ������º͸���������ѹ���

3.2.1 ����������ѹ���

����CͿ���SiC��ά��ǿ�ѻ����ϲ��ϵĽ��淴Ӧ����Ҫ��TiC������, �ڲ����ڽ϶�ȱ��, ����ǿ��Զ������ά�ͻ���, �������غ�������, ��Ӧ��������������, �������Ƽ���γ�Ӧ������[25]. Ȼ��, ��Ӧ���ڲ��SiC��άǿ�Ƚϸ�, ���Ƽ�˵�Ӧ�����в��������SiC��ά����, ��Ӧ������TC17�Ͻ��������Ի���, ���巢��΢С����Ҳ������ֹ��Ӧ�����Ƶ���չ, ���������̳���, ��Ӧ�����ƼȲ��ܴ���SiC��ά, Ҳ������չ�������, ����������C��/��Ӧ�㷢�����޵Ľ��������߷�Ӧ�㷢����ζ���. �����غɵ�����, ��Ӧ��-Ӧ�����߽��뵽�ڶ���ֱ�߽׶κ�, ����άǿ�ȷ�ɢ���Լ���Ӧ��΢���Ƶ�˫��Ӱ��, һЩ�����ڱ�����ڲ�ȱ�ݵ�SiC��ά�����������, SiC��ά�����ڵ�������ۻ�����ƫת���޵ľ���, ������Χ������ٽ���ά�γ�Ӧ������, ����ͬһ������ڽ�SiC��ά����, ��ͬһ�����ϵ��ڽ�������ά�����ﵽ3��ʱ, ��ЩSiC��ά�����ƾ��ɷ�Ӧ����������չ�������, ��ϳɽϴ��������, Ȼ����һ����Ѹ����������չ, �ڴ˹�����, ���������������������ߵ������/���ϲ��Ͻ���ʱ, ��������ƫת��ֹͣ��չ, ������������ά���γɵ���������չ����֮�ཻ��, ���ϲ����ڲ��γ���һ����������ƽ̹��������߶�����ڲ�ͬ�����ƽ̹������. ֮��, ������Ʒ���뵽�˿��ٶ��ѽ׶�, ��Ӧ��-Ӧ�����ߵĵڶ���ֱ�߽׶κ���, ��Ʒ��ʣ��δ�ϵIJ����޷����ܶ������γɺ����ͷŵĴ����غ�, ��������, ʣ����ά����������;���ѹ���غɵ������·�������, ���ʣ�����Ͱ���˲�䱻����, ��Ʒ��ȫ����. SiCf/TC17���ϲ�������������ѵ���Ҫ������ͼ10��ʾ.

3.2.2 ����������ѹ���

ͼ11��SiCf/TC17���ϲ��ϸ���������ѹ���ʾ��ͼ. ���������, ����������ؿ�ʼ��, ������ǰ����, ��Ӧ���ܻ������Ӱ�����ȷ����������, ������ΧC��/��Ӧ��������, ��Ӧ�������ؽ���ƫתһ�ξ����, �غ�����ת�Ƶ���Ӧ��������ζ���������ζ���, �������������ʱ��������, ֻ�����ڸ���ʱ�����������, ʹ�غ�����ת�Ƶ���Ӧ����ٽ糤������, ��Ӧ�������Ƽ�������ʱ����. �����غɵ�����, ����������Ӵ�, ��SiC��ά�������ѹ���غ�, ��ά�ܴ�Ӱ�����ڲ�W/SiC�����������Ʋ�������չ, ������ά��������Զ���, �γɡ������ṹ��. SiC��ά�ڲ����������ƽ���C���ڲ����������C������, ������C�㵽��C��/��Ӧ���������Ե��½�����𤿪��, 2�����ζ���ʹ���Ʒ���ƫת, �Ӷ�������չ�������. Ȼ��, ������ �ʹ���洫���غɵ�����ɥʧ, ���SiC��ά���渽���Ļ��������ܵ������غ�����, �ر��ǵ����ڵ�һ����ά��ͬһ���渽����̷������Ѻ�, ������ά���ɢ�Ļ�������ȫ����������, �غɹ����������γ�΢�׶�. ����Ʒ�еĶ�����ά�����ﵽһ���̶�ʱ, ����ά���ѷ�������ܼ���ijһ���渽��, ����Ͱ��׷������ģ���Ա���, �����΢�׾ۼ��Զ���, ������������ά�������໥����, ������ȫ����. ��ʵ��, �����������������������̵����׶ν�Ϊ�ӽ�, ������ͬ���Ķ��ѻ����ڸ�����������г��ֵø�Ϊ���Һ�����.

4 ����

(1) SiCf/TC17���ϲ��ϵ���������Ӧ��-Ӧ�����߳��ֳ����͵�˫ֱ����״, ��������Ӧ��-Ӧ����������ֳ�����һ�����ȵĽ�ֱ����״. ����Ӧ��-Ӧ��������״�ص����Ҫ��������ά�ߵ��Ա��κͻ�������.

(2) SiCf/TC17���ϲ��ϵ����¶��ѻ�����Ҫ��: ��Ӧ���ζ���, ��άһ�ζ���, ��ά������չ�������, ���崩������; ���¶��ѻ�����Ҫ��: �������, ����ƫת, ��Ӧ��������, C������, ��ά��ζ���, ��ά�γ�, Wо���γ���, �������Ա���, ����΢�׶�.

(3) SiCf/TC17���ϲ��ϵ�������������ģʽ����LLSģ��, 3�����ϵ��ڽ�������ά�γ��ٽ������ά�غ�������϶���; ������������ģʽ����GLSģ��, ������ά������ѺͶ�ζ��ѵ��²��϶���.

(4) SiCf/TC17���ϲ��ϵ����¶��ѹ���Ϊ: ��Ӧ���ζ��ѡ�����������ά������ѡ��ٽ������ά���γɡ�������ά�ؼ��������ѻ����γɽϴ����������������չ�����������������ӡ�ʣ��������ά�����塢���ױ���������; ���¶��ѹ���Ϊ: ������������Ӧ���ζ��ѡ���ά�����ζ��ѡ���ά-���������𤿪�ѡ��������΢�׶���ʣ��������ά�����塢���׿��ٶ���.

�����
[1] Christoph L, Frank K, Joachim H, Wolfgang A K. Aerosp Sci Technol, 2003;7: 201 [��������:1]
[2] Nicolas C, Fr��d��ric F, Serge K. Aerosp Sci Technol, 2003;7: 307 [��������:1]
[3] Naseem K, Yang Y Q, Luo X, Huang B, Feng G H. Mater Sci Eng, 2011;A528: 4507 [��������:1]
[4] Thomas M P, Winstone M R. Compos Sci Technol, 1999;59: 297 [��������:2]
[5] Gundel D B, Wawner F E. Compos Sci Technol, 1997;57: 471 [��������:4]
[6] Fukushima A, Fujiwara C, Kagawa Y, Masuda C. Mater Sci Eng, 2000;A276: 243 [��������:1]
[7] Weber C H, Chen X, Connell S J, Zok F W. Acta Metall Mater, 1994;42: 3443 [��������:2]
[8] G��lvez F, Gonz��lez C, Poza P, Llorca J. Scr Mater, 2001;44: 2667 [��������:3]
[9] Kagawa Y, Fujita T, Okura A. Acta Metall Mater, 1994;42: 3019 [��������:1]
[10] Peters P W M, Hemptenmacher J. Composites, 2002;33A: 1373 [��������:2]
[11] Truon A, Ccota J, Main��P, Trias D, Mayugo J A. Compos Sci Technol, 2005;65: 2039 [��������:2]
[12] Baik K H, Grant P S. Scr Mater, 2001;4: 607 [��������:1]
[13] Yang Y Q, Zhu Y, Ma Z J, Chen Y. Scr Mater, 2004;5: 385 [��������:1]
[14] Gonz��lez C, Llorca J. Acta Mater, 2001;49: 3505 [��������:8]
[15] Zhang X. PhD Dissertation, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, 2012
(�� ��. �й���ѧԺ�����о�����ʿѧλ����, ����, 2012) [��������:1]
[16] Garc??a-Leiva M C, Oca?a I, Mart??n-Meizoso A, Mart??nez-Esnaola J M, Marqu��s V, Heredero F. Eng Fract Mech, 2003;70: 2137 [��������:1]
[17] Cheng T T, Jones I P, Shatwell R A, Doorbar P. Mater Sci Eng, 1999;A260: 139 [��������:1]
[18] Hill R A. J Mech Phys Solids, 1965;13: 213 [��������:3]
[19] Curtin W A. J Am Ceram Soc, 1991;74: 283 [��������:1]
[20] Curtin W A. Composites, 1993;24: 98 [��������:1]
[21] Li J K, Yang Y Q, Yuan M N, Luo X, Li L L. Trans Nonferrous Met Soc China, 2008;18: 523 [��������:3]
[22] Chandra N, Ghonem H. Composites, 2001;32A: 575 [��������:1]
[23] Chandra N, Ananth C R. Compos Sci Technol, 1995;54: 87 [��������:1]
[24] Kalton A F, Howard S J, Janczak-rusch J, Clyne T W. Acta Mater, 1998;46: 3175 [��������:1]
[25] Jeng S M, Yang J M, Yang C J. Mater Sci Eng, 1991;A138: 169 [��������:1]