功能梯度材料具有组分与微结构的梯度空间变化特征,具有材料的可设计性和复杂环境的高适应性,一经面世便受到普遍的关注。根据不同的梯度分布形式它可以分为连续梯度和叠层梯度材料。由于外加相的加入、层间界面的出现以及制备工艺不同等因素,FGMs的细观损伤源以及细观损伤的形式更加丰富,在外加场作用下的细观损伤演化机理、材料宏观力学性能与细观结构间的关系也就更加复杂。其次,由于材料的应变率效应,其动态力学性能和准静态力学性能有较大差异,不仅取决于组分的基本性能,还依赖于动态加载速率。因此,深入研究FGMs的损伤、断裂与动态冲击行为,探索FGMs的细观组织结构与材料宏观性能的关系,优化FGMs设计理论和制备工艺,具有重要的学术意义和工程应用价值。主要的工作和结论如下:1.通过粉末冶金法制备了 Cu/WCp均质复合材料,研究了 WCp含量对复合材料的微观结构、显微硬度以及基本力学性能的影响。结果表明:颗粒分布相对均匀。随着颗粒含量的增大,复合材料的微孔隙增多,复合材料的显微硬度、强度和弹性模量增大,而延性却相应减小。通过研究均质复合材料的基本力学性能,为后续叠层材料的疲劳及动态冲击性能的研究做准备。2.利用单边缺口拉伸试件研究了颗粒含量对复合材料的疲劳裂纹扩展行为的影响;研究了应力比对Cu/WCp/15p的疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:颗粒含量越高复合材料的裂纹扩展速率越大,主要是颗粒界面结合强度较低导致其在循环载荷作用下过早的出现界面脱粘,颗粒含量越大界面脱粘越严重,因此,加速了疲劳裂纹扩展速率。应力比越大Cu/WCp/15p的裂纹扩展速率越快,主要是因为应力比越大,Kmax引起的裂纹尖端单调损伤越严重;其次,低应力比时裂纹面颗粒引起的裂纹闭合效应降低了裂纹扩展驱动力。利用单边缺口拉伸试件研究了叠层材料Cu/WCp/15p-Cu-Cu/WCp/15p的疲劳裂纹扩展特性。结果表明:当裂纹从Cu/WCp/15p层向纯Cu层扩展时,弹性错配E15p/ECu增大了裂纹尖端驱动力,使叠层材料的裂纹扩展速率比均质Cu/WCp/15p的快;当裂纹跨过层间界面1进入纯Cu层时,界面2引起的弹性错配ECu/E15p降低了裂纹尖端驱动力,使叠层材料的裂纹扩展速率比均质Cu的裂纹扩展速率低;随着裂纹向界面2的逐渐靠近弹性错配对驱动力的降低越明显,最终导致裂纹无法越过层间界面2而止裂。3.通过原位-SEM疲劳试验机研究了不同温度(25℃和200℃)下Cu/WCp/3p复合材料的小裂纹扩展行为,讨论了热-力耦合作用下Cu/WCp/3p的细观损伤特征以及它们对小裂纹扩展速率的影响;另外,分析了 25℃时颗粒和微观结构对裂纹萌生和小裂纹扩展行为的影响。结果表明:复合材料在热-力耦合作用下疲劳裂纹尖端的损伤更为严重,在主裂纹附近有较多的二次裂纹出现,导致裂纹尖端张开位移和塑性区尺寸增大。因此,200℃时复合材料的裂纹扩展速率比25℃时快。界面脱粘损伤是复合材料小裂纹萌生的主要形式。小裂纹扩展对微观结构比较敏感,其中大角度偏折对裂纹扩展的延迟效果最显著,其次是裂纹分叉和大尺寸塑性区,界面脱粘损伤则加速了裂纹扩展速率。4.基于图像处理技术建立了真实微结构的有限元模型,利用内聚力界面单元模拟了原位-SEM观察到的颗粒界面脱粘损伤特性;模拟研究了界面性质对裂纹扩展行为的影响。结果表明:复合材料Cu/WCp/3p中颗粒的界面脱粘模拟结果和原位-SEM观察结果比较吻合。从裂纹扩展路径模拟来看,当颗粒界面为弱界面时,模拟的裂纹扩展路径和原位-SEM观察结果结果比较吻合。因此,复合材料的颗粒界面属于弱界面结合,限制了疲劳裂纹萌生和扩展抗力的提高。5.利用分离式霍普金森杆压杆(SHPB)研究了均质复合材料和叠层材料的动态压缩力学性能,分析了其微观损伤机制。结果表明:对于均质复合材料来说,Cu/WCp是一种应变率相关材料,具有一定的加工硬化效应。颗粒含量越大复合材料流动应力越高,但对应的延性就有所牺牲。延性的牺牲主要体现在当颗粒含量为15%时,Cu/WCp/15p在高应变率作用下出现剪切裂纹。对于叠层材料来说,当层间界面和载荷方向垂直时,叠层材料具有一定的应变率效应;从微观分析可以发现:在高应变率下,叠层材料的剪切裂纹萌生于Cu/WCp/15p一层,然后穿过界面进入Cu/WCp/3p,最终导致层间界面在剪切作用下相对错动。当层间界面和载荷方向平行时,叠层材料的流动应力随应变率的增大先增大后趋稳,主要是因为叠层材料的层间界面在高应变率下开裂,导致流动应力不能继续提高。从微观分析可以发现:在高应变率下,叠层材料的层间界面出现界面开裂,同时在Cu/WCp/15p 一侧出现剪切裂纹以及剪切带损伤。