先进碳纤维具有密度低,强度和模量高、高低温性能稳定、热膨胀系数小等优异性能;铝合金韧性较好且具有一定塑性,价格低廉加工方便,而且耐腐蚀和耐热性能优异。由二者复合而成的连续纤维增强铝基复合材料(CF/Al复合材料)兼具两种组元材料的特性,而且呈现出高比强度和高比模量,抗疲劳耐磨损,以及良好尺寸稳定性等一系列优点,其较钛合金和高分子复合材料等传统结构材料优势明显,是满足未来航空航天结构轻量化、高精度技术要求的先进复合材料。现阶段关于CF/Al复合材料的研究,主要集中在制备工艺方法、微观组织、界面反应控制等方面,而关于CF/Al复合材料承载变形时损伤与断裂行为的研究并不多,从微观角度掌握其损伤演变规律与内在失效机理,不仅可为进一步改进制备工艺提高材料性能提供理论指导,也是复合材料性能设计及工程应用亟待解决的基础问题。本文选用石墨纤维M40J为增强体,铸造铝合金ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备出了纤维体积分数为55%的单向CF/Al复合材料。采用单轴拉伸和显微硬度实验获得了基体合金弹塑性力学行为和界面结合性能,通过准静态拉伸实验研究了复合材料纵向和横向拉伸断裂力学行为,获得了其纵向和横向拉伸弹性模量、拉伸强度、断裂应变等性能参数。在此基础上,通过对基体合金延性损伤、界面损伤减聚和纤维断裂等关键问题的处理,建立了单向CF/Al复合材料细观力学三维有限元模型,计算获得了复合材料纵向和横向准静态拉伸载荷下的力学响应,通过实验与计算结果对比分析了细观力学模型的可靠性。在此基础上,通过数值模拟进一步研究了纤维性能、界面性能和纤维体积分数对复合材料微观损伤和宏观力学性能的影响规律,获得以下主要结论:(1)复合材料横向拉伸微观损伤演变与失效机理如下:复合材料界面首先发生局部损伤,随着横向应变增加,界面损伤不断积累并引起局部界面发生脱粘和失效,与此同时界面失效导致基体合金局部应力集中,从而使得界面附近基体合金开始损伤,此后随塑性应变增大基体合金损伤程度逐渐增加并引发界面区域的基体合金失效,最终引起纤维与基体开裂而导致复合材料发生整体横向断裂。(2)复合材料纵向拉伸微观损伤演变与失效机理如下:界面损伤积累引起了基体合金的局部损伤,随着纵向应变增加,界面和基体合金的损伤逐渐发展和积累,直至界面和基体合金先后发生局部失效,但基体合金和界面的局部失效不会引起复合材料最终断裂,而是导致在纤维局部区域发生应力集中,当纤维应力水平达到其强度极限后局部纤维断裂,并导致复合材料迅速产生整体的纵向断裂失效。(3)对复合材料横向拉伸变形行为进一步模拟结果表明:在横向拉伸过程中载荷主要由界面以及铝合金基体承担,纤维力学性能对横向拉伸极限强度和弹性模量的影响不大。随着界面结合强度的提高,复合材料抵抗横向变形的能力越强且横向拉伸极限强度也越大;界面刚度的变化对复合材料横向拉伸极限强度和弹性模量影响不大;在一定范围内,纤维体积分数增大会导致复合材料横向弹性模量和拉伸强度降低。(4)对复合材料纵向拉伸变形行为进一步模拟结果表明:复合材料纵向拉伸极限强度和弹性模量随着纤维力学性能增加而增加;界面强度越高,复合材料纵向拉伸极限强度越大,但弹性模量基本无变化;界面刚度对复合材料纵向拉伸极限强度和弹性模量影响较小;在纤维体积分数45%-65%范围内,复合材料纵向拉伸强度和弹性模量均随着体积分数增大而增大。