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1、第9卷 第3期强激光与粒子束Vol.9,No.31997年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,1997X金属基陶瓷复合材料的激光热冲击破坏效应1,2121周益春 袁辉球 段祝平 杨奇斌(1湘潭大学物理系,湖南 411105)(2中国科学院力学研究所,材料动力学及激光与物质相互作用实验室,北京 100080) 摘 要 研究了激光热冲击条件下静态受拉SiC颗粒增强6061铝合金材料的热断裂行为。热冲击用的激光束的脉宽分别为1.0ms和250Ls,激光束辐照在缺口的根部附近。对于热冲击下裂纹的产生及扩展进行细致的宏、微观观察,发现裂纹的产生和扩
2、展的机制是不相同的。 关键词 金属基陶瓷 激光热冲击 热失配ABSTRACTThermalfailureofSiCparticulatereinforced6061aluminiumalloycompo2sitesinducedbythecoupledloadingwithbothlaserthermalshockingandmechanicalloadinghasbeeninvestigated.Inthetest,apulsedNd:glasslaserbeamisusedwithduration1.0msand250Ls.Thenotched2tipregionofth
3、especimenissubjectedtolaserbeamrapidheating.Thecrack2tipprocesszonedevelopmentandthemicrocracksformationaremacroscopicallyandmicroscopicallyobserved.Itisfoundthatthemechanismsforthecracksformationaredif2ferentfromthoseforthecrackexpansion.KEYWORDSceramicparticulatereinforcedmetalmatrixcompos
4、ites,laserthermalshocking,thermalexpansionmismatch. 陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度,比模量及优越的抗蠕变性能,并由于这些优[1,2][3]良的机械性能和物理性能而受到广泛关注,已开始在一些精密器件上投入使用。广泛存在的瞬时加热和突然冷却等热冲击现象,对复合材料热破坏效应的研究已成为材料科学中的[3～7]一个重要课题。金属和陶瓷的热物理性能和力学性能的极大差别将造成金属和陶瓷的严重热失配;使得这种材料的抗热冲击性能较差。因此,研究这种材料在热冲击下的力学性能和热物理性能对改善它的抗热冲击性能具有重要意义。[3,9～11
5、][5] 通常的热冲击实验是淬火,聚光灯加热或电子束加热等方法。这些传统的加热方法都具有一定的局限性,如要求真空条件,或者加热效率低,或者要求样品为导体,或者不能实时观察等。本文采用激光加热方法,可以根据需要对激光束进行调节,如能量、功率、光斑大小等,实验过程中还可能对变形与断裂过程进行实时观察等。1 实验方法1.1 实验条件 热冲击实验所用的激光热源是由“力光”可调式千兆瓦级高功率钕玻璃激光装置输出的长[12]脉冲激光束。其实验装置由激光器、激光束时空分布的诊断系统、多点快速红外测温仪及同步控制器等部分组成。激光束的时间分布是由响应时间小于1ns的硅PIN光电二极管测试,
6、激光束的空间分布采用面阵512×512元高灵敏度的CCD探测器图象分析系统测试,为了使X国家863激光技术领域,国家自然科学基金,湖南省教委资助项目。1997年3月12日收到原稿,1997年6月7日收到修改稿。周益春,男,1963年3月生,博士,教授。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.452强激光与粒子束第9卷CCD探测器处于线性工作状态,使软件模块控制CCD探测器上的激光功率密度的最大值与最小值之比ImaxöImin<50,这样保证测得的相对误差小于2%。该图象分析仪的帧率为25帧ö秒
7、。激光器输出的能量由有峰值数字显示的PT21C型高功率激光能量计测得。 对于脉宽为1ms和250Ls的两种脉宽激光束对复合材料的破坏效应,它们的时间分布波形分别如图1(a)(b)所示。我们把由脉宽为1ms和250Ls的激光束对材料的破坏效应实验分别称为第É组和第Ê组实验,图ab分别对应1ms和250Ls脉宽。Fig.1TemporalshapeofNd:glasspulsedlaserintensity:(a)thefullwidthathalfmaximumofthelaseris1ms
