1. 引言

金属基复合材料(Metal matrix composites, MMC)具有高比刚度、高比强度、耐磨损性好和低的热膨胀系数等优异性能，近些年来，在航空、航天及汽车等工业领域得到广泛的关注 [1] 。其中，颗粒增强铝基复合材料具有可设计性强、成本低、应用面广、易制备等突出优点，从而成为金属基复合材料中的研究重点 [2] [3] 。目前，大多数研究多关注于铝基复合材料的制备工艺和基本力学性能上 [4] [5] [6] ，对于铝基复合材料划伤缺陷疲劳性能研究鲜有报道。在工程实际中，划伤缺陷是比较常见的微小损伤类型，在结构生产和结构服役中，各种可能都会造成划伤缺陷，如制造、装配和运输过程中由工具或设备等刮碰引起的划伤缺陷 [7] 。这种划伤缺陷在结构的制造和服役过程中均不可避免，因此，研究铝基复合材料划伤缺陷疲劳性能，对于结构设计和安全分析具有重要的意义。

本文对SiC/2009Al复合材料光滑试样和划伤缺陷试样(划伤深度0.15 mm、0.25 mm及0.40 mm)疲劳性能进行了分析，研究了划伤缺陷对SiC/2009Al复合材料疲劳性能的影响和材料的缺口敏感性，并建立了划伤缺陷试样的K_t-K_f关系式，为SiC/2009Al复合材料在工程上的应用及疲劳寿命预测提供了试验数据依据。

2. 实验材料与方法

2.1. 实验材料

实验材料为SiC/2009Al复合材料，材料毛坯为自由锻件，如图1所示，其化学成分如表1所示，拉伸性能如表2所示。

2.2. 试样形式及尺寸

光滑试样如图2所示，划伤缺陷试样形式与光滑试样形式相同，在试样中部位置预制划伤缺陷，划伤缺陷深度为0.15 mm、0.25 mm和0.40 mm，如图3所示。

2.3. 实验方法

在高频疲劳试验机上进行SiC/2009Al复合材料疲劳性能试验，实验过程按照GB/T 3075-2008《金属疲劳试验轴向力控制方法》标准要求进行。室温大气环境，试验频率80 Hz~100 Hz，加载波形为正弦波，应力比R = −1。采用成组法获得中低寿命区疲劳数据，成组法为3级应力水平，每级应力水平的疲劳寿命应满足95%置信度要求。采用升降法获得10⁷疲劳极限，升降法为5个升降对，3~5级应力水平。

3. 疲劳性能实验结果

通过升降法获得SiC/2009Al复合材料光滑试样和划伤缺陷试样的10⁷疲劳极限，结果如表3所示。通过成组法获得光滑试样和0.25 mm划伤缺陷试样中低寿命区的疲劳数据，采用最小二乘法对成组法和升降法试验数据进行拟合，得到S-N曲线拟合公式参数如表2所示，S-N曲线如图4所示。

S-N曲线采用三参数Stromeyer方程，公式表达式如公式(1)所示。

${\sigma }_{\max }=S_{\infty }\left(1+\frac{A}{N^{\alpha }}\right)$(1)

其中 ${\sigma }_{\max }$为最大名义应力；N为疲劳寿命；A、α疲劳曲线形状参数。

*注：因原材料数量限制，划伤深度0.15 mm和划伤深度0.40 mm缺陷试样仅进行了升降法试验，获得了相应的10⁷疲劳极限值，未进行成组法试验，因此，未获得对应的S-N曲线。

4. 分析与讨论

4.1. 划伤缺陷对SiC/2009Al复合材料疲劳性能的影响规律

如图5所示为SiC/2009Al复合材料不同划伤缺陷深度下的疲劳性能变化规律。可以看出，随着划伤缺陷深度的增加，材料的疲劳性能逐渐下降，试样疲劳性能与划伤缺陷深度近似为负相关的线性关系。

4.2. 缺口敏感性分析

根据实验获得的SiC/2009Al复合材料光滑试样和划伤缺陷试样的疲劳极限，根据公式(2)，计算可得用于表征缺陷部位疲劳强度降低程度的疲劳缺口系数K_f。

$K_f=\frac{S_{fl}}{S_{fk}}$(2)

式中：S_fl为光滑试样的疲劳极限；S_fk为划伤缺陷试样的疲劳极限。

对于划伤缺陷，可采用有限元分析获得各自的理论应力集中系数K_t。根据疲劳缺口系数K_f和应力集中系数K_t，根据公式(3) [8] ，计算可得缺口敏感性系数q。

$q=\frac{K_f-1}{K_t-1}$(3)

缺口敏感性表征材料对缺口的敏感程度，它能反应疲劳过程中，材料发生应力重新分布，降低应力集中的能力 [9] 。由表4可以看出，随着划伤缺陷深度的增加，缺口敏感性系数q逐渐增大。

4.3. K_t-K_f关系式

K_t-K_f关系式经常用于飞机结构的设计，目前大部分金属材料K_t-K_f关系符合线性关系 [10] 。根据表中的K_t和K_f计算结果，获得SiC/2009Al复合材料的K_t-K_f关系曲线如图6所示，由图可知，K_t-K_f呈线性关系，拟合关系式为K_f= 0.526 K_t− 0.0317。

5. 结论

通过对SiC/2009Al复合材料光滑试样和划伤缺陷试样(划伤深度0.15 mm、0.25 mm及0.40 mm)疲劳性能进行研究和分析，结论如下：

1) SiC/2009Al复合材料光滑试样疲劳极限为212 MPa，0.15 mm划伤缺陷疲劳极限为157 MPa，0.25 mm划伤缺陷疲劳极限为135 MPa，0.40 mm划伤缺陷疲劳极限为111 MPa；

2) 划伤缺陷对SiC/2009Al复合材料疲劳性能影响显著，划伤缺陷深度与疲劳性能呈负相关线性关系；

3) 随着划伤缺陷深度的增加，SiC/2009Al复合材料缺口敏感性增大；

4) SiC/2009Al复合材料K_t-K_f为线性关系，其关系式为K_f= 0.526 K_t− 0.0317。

参考文献