金属基复合材料界面残余应力的研究进展/娄菊红 75 金属基复合材料界面残余应力的研究进展¨ 娄菊红2,杨延清',原梅妮',罗贤,刘翠霞 (1西北工业大学材料学院,西安710072;2太原工业学院机械工程系,太原030008) 摘要综述了金属基复合材料界面残余应力的各种影响因素残余应力的实验测试方法和理论分析方法及残 余应力对复合材料宏观力学性能的影响,分析讨论了目前研究中存在的问题和不足之处,并指出了今后工作的重点 与方向。 关键词金属基复合材料界面残余应力 Develop ment of Interfacial Residual Stresses in Metal-matrix Co mposites LOU J uhong, 2, YAN G Yanging, YUAN Meini, L UO Xian', L IU Cuixia (1 School of Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi an 710072, 2 Department of Mechanical Engineering Taiyuan Institute of Technolo gy, Taiyuan 030008 Abstract The influence factors, measurement methods composed of experiment and theory analysis as well as the effects of interfacial residual stresses on macro- mechanical performance of the metal-matrix composites are summa- rized. The existent problems and deficiencies of current studies are analyzed and discussed. Moreover, further re- earch emphases and direction are pointed out Key words metal-matrix composites, interface, residual stresses 金属基复合材料具有好的高温性能、高比强度、低热膨应,而且还可以对复合材料界面残余应力的分布起到一定的 胀系数以及耐磨、导电和导热性好等一系列优点,在航空航调节作用。 Bin Huang等研究了CC/TiB2涂层对SCTr 天等工业领域得到了广泛应用。由于金属基复合材料需在6AH4V复合材料界面残余应力的影响,认为涂层对复合材 基体熔点附近的高温下制备,一方面基体与增强体之间会发料界面径向及轴向残余应力的影响不大,但使周向应力变化 生化学反应形成一些新相,导致体积改变,形成残余应力;另显著。与没有涂层相比,C涂层使邻近纤维一侧界面周向应 方面金属基复合材料由加工温度冷却到室温时,内外冷却力有所减小,CTiB2涂层使邻近基体一侧界面周向拉伸应力 速度的差异以及基体与增强体之间热膨胀系数的不匹配也明显增大。这主要是因为在没有涂层、有C涂层和CTB2 会在复合材料中引起残余应力。目前研究最多的是基体与涂层的情况下,界面相材料分别为TC、C及TC和C及 增强体之间由于热膨胀系数差异造成的热残余应力,该热应TB2。表1列出了SC、Tr6A-4V等材料的主要性能参数 力会在界面附近形成应力集中,对复合材料疲劳裂纹的形成 表1各组分的主要性能参数 与扩展、屈服强度、界面剪切强度和横向拉伸性能等力学性 能产生较大影响,甚至决定复合材料能否投入使用。例 Table 1 The main properties of components 如,拉伸残余应力将促使裂纹形成,相反压缩残余应力可以 Tr-6Al4V 梯度 材料 C TiB, TiC Y20 阻止裂纹扩展。丁向东等运用轴对称有限元法得出残 余应力会降低拉伸过程中的应力传递,加强压缩过程中应 杨氏模量 403.2125 60569440169100 传递,使复合材料室温抗压强度高于抗拉强度。因此,全面 了解复合材料残余应力的各种影响因素、残余应力状态及分 热膨胀系数 4.508.7810.008.107.608.304.86 布规律,对复合材料的强度估算和寿命预测等具有重要的指 导意义 从表1可以看出,3种界面相材料TC、C及TiB2的热 1残余应力的影响因素 膨胀系数均较大,但它们之间差值较小,而杨氏模量相差很 大。由此可知,当热膨胀系数一定时,复合材料界面周向应 1.1纤维涂层的影响 力在很大程度上依赖于界面相材料的杨氏模量。杨氏模量 高温下制备复合材料时,基体与增强体之间极易发生有越高,相应的周向应力越大。L.L.Shaw等对Sic/T6A- 害的界面反应,而合适的界面涂层不但能有效阻挡这类反4V复合材料的研究发现,氧化钇涂层复合材料界面的径向 *国家自然科学基金(508701086) 娄菊红:女,1977年生,博士研究生,主要从事钛基复合材料力学性能的研究Tce:02988486091 Email: fxi815@163.cm c1994-2010chinaAcademicournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://nw.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 金属基复合材料界面残余应力的研究进展3 娄菊红1 , 2 ,杨延清1 ,原梅妮1 ,罗 贤1 ,刘翠霞1 (1 西北工业大学材料学院 ,西安 710072 ;2 太原工业学院机械工程系 ,太原 030008) 摘要 综述了金属基复合材料界面残余应力的各种影响因素、残余应力的实验测试方法和理论分析方法及残 余应力对复合材料宏观力学性能的影响 ,分析讨论了目前研究中存在的问题和不足之处 ,并指出了今后工作的重点 与方向。 关键词 金属基复合材料 界面 残余应力 Development of Interfacial Residual Stresses in Metal2matrix Composites LOU J uhong 1 , 2 , YAN G Yanqing 1 , YUAN Meini 1 , L UO Xian 1 , L IU Cuixia 1 (1 School of Materials , Northwestern Polytechnical University , Xi’an 710072 ;2 Department of Mechanical Engineering , Taiyuan Institute of Technology , Taiyuan 030008) Abstract The influence factors , measurement methods composed of experiment and theory analysis as well as the effects of interfacial residual stresses on macro2mechanical performance of the metal2matrix composites are summa2 rized. The existent problems and deficiencies of current studies are analyzed and discussed. Moreover , further re2 search emphases and direction are pointed out. Key words metal2matrix composites , interface , residual stresses 3 国家自然科学基金(508701086) 娄菊红 :女 ,1977 年生 ,博士研究生 ,主要从事钛基复合材料力学性能的研究 Tel :029288486091 E2mail :fxj815 @163. com 金属基复合材料具有好的高温性能、高比强度、低热膨 胀系数以及耐磨、导电和导热性好等一系列优点 ,在航空航 天等工业领域得到了广泛应用。由于金属基复合材料需在 基体熔点附近的高温下制备 ,一方面基体与增强体之间会发 生化学反应形成一些新相 ,导致体积改变 ,形成残余应力 ;另 一方面金属基复合材料由加工温度冷却到室温时 ,内外冷却 速度的差异以及基体与增强体之间热膨胀系数的不匹配也 会在复合材料中引起残余应力。目前研究最多的是基体与 增强体之间由于热膨胀系数差异造成的热残余应力 ,该热应 力会在界面附近形成应力集中 ,对复合材料疲劳裂纹的形成 与扩展、屈服强度、界面剪切强度和横向拉伸性能等力学性 能产生较大影响 ,甚至决定复合材料能否投入使用[ 1 - 3 ] 。例 如 ,拉伸残余应力将促使裂纹形成 ,相反压缩残余应力可以 阻止裂纹扩展[ 3 ] 。丁向东等[ 4 ] 运用轴对称有限元法得出残 余应力会降低拉伸过程中的应力传递 ,加强压缩过程中应力 传递 ,使复合材料室温抗压强度高于抗拉强度。因此 ,全面 了解复合材料残余应力的各种影响因素、残余应力状态及分 布规律 ,对复合材料的强度估算和寿命预测等具有重要的指 导意义。 1 残余应力的影响因素 1. 1 纤维涂层的影响 高温下制备复合材料时 ,基体与增强体之间极易发生有 害的界面反应 ,而合适的界面涂层不但能有效阻挡这类反 应 ,而且还可以对复合材料界面残余应力的分布起到一定的 调节作用。Bin Huang 等[ 5 ]研究了 C、C/ TiB2 涂层对 SiC/ Ti2 6Al24V 复合材料界面残余应力的影响 ,认为涂层对复合材 料界面径向及轴向残余应力的影响不大 ,但使周向应力变化 显著。与没有涂层相比 ,C 涂层使邻近纤维一侧界面周向应 力有所减小 ,C/ TiB2 涂层使邻近基体一侧界面周向拉伸应力 明显增大。这主要是因为在没有涂层、有 C 涂层和 C/ TiB2 涂层的情况下 ,界面相材料分别为 TiC、C 及 TiC 和 C 及 TiB2 。表 1 列出了 SiC、Ti26Al24V 等材料的主要性能参数。 表 1 各组分的主要性能参数 Table 1 The main properties of components 材料 SiC Ti26Al24V (23 ℃) C TiB2 TiC Y2 O3 梯度 C ∶Si 杨氏模量 GPa 403. 2 125 160 569 440 169 100 热膨胀系数 ×10 - 6 / ℃ 4. 50 8. 78 10. 00 8. 10 7. 60 8. 30 4. 86 从表 1 可以看出 , 3 种界面相材料 TiC、C 及 TiB2 的热 膨胀系数均较大 ,但它们之间差值较小 ,而杨氏模量相差很 大。由此可知 ,当热膨胀系数一定时 ,复合材料界面周向应 力在很大程度上依赖于界面相材料的杨氏模量。杨氏模量 越高 ,相应的周向应力越大。L . L . Shaw 等[ 6 ] 对 SiC/ Ti26Al2 4V 复合材料的研究发现 ,氧化钇涂层复合材料界面的径向 金属基复合材料界面残余应力的研究进展/ 娄菊红等 ·75 ·
材料导报:综述篇 009年10月(上)第23卷第10 应力和周向应力与界面附近基体中的应力大小相近,趋势相5MPa。为此,在满足性能要求的前提下应尽量降低复合材 同。原因在于氧化钇涂层的杨氏模量和热膨胀系数均与基料制备温度,以减小残余应力。然而,复合材料从制备温度 体接近;而梯度C:Si涂层使复合材料界面的周向应力由无开始冷却的前期阶段基体产生高温蠕变使残余应力得以释 涂层或氧化钇涂层时的拉伸状态变为压缩状态,轴向应力也放,因此,存在一个无应力的起始温度,在此温度以下才会产 由氧化钇涂层时的拉伸状态变为压缩状态,其原因是梯度生残余应力,但目前的大多数研究只对这一温度进行简单假 C:Si涂层的热膨胀系数远远低于基体,冷却过程中基体收定。文献[14]指出,复合材料无应力起始温度为基体金属熔 缩大于涂层,从而导致基体受拉,界面受压。王玉庆等对点的1/2,李健康等虽采用混合准则及 Schapery模型计算 涂层在复合材料中的力学行为进行了理论分析,指出界面残出SCTr6A4V残余应力的起始温度为704℃,但均没有 余应力是热膨胀系数与弹性模量综合作用的结果,高模量涂考虑冷却速率对这一温度的影响 层在热膨胀系数低时才能减小界面残余应力,而低模量涂层1.4基体材料性能的影响 不论热膨胀系数大小均能减小界面残余应力。因此,选择涂 增强体材料与界面层相确定后,基体材料热膨胀系数和 层材料时需从材料的化学性能及物理性能两方面入手,尽量杨氏模量越大,界面残余应力就越大。增强体热膨胀系数小 使它既能阻挡界面不利产物形成又能降低残余应力。从界于基体热膨胀系数,所以基体材料热膨胀系数越大,两者之 面残余应力角度来看,理想的涂层材料应具有低的杨氏模量间的差值就越大,这种由热膨胀系数不匹配引起的残余应力 及低的热膨胀系数。其存在的问题是,与实际复杂的界面结也就越大;基体杨氏模量越高,柔性越差,越不利于界面残余 构相比,上述分析对界面相材料成分进行了一定简化。迄今应力的释放。M.Y.Quek.用单根纤维同心圆柱模型计 为止,虽有不少学者已对界面层成分进行过分析,但要算出其它条件不变时基体杨氏模量由3GPa变为15GPa,界 在界面区几微米的范围确定2~3层甚至更多层材料的性面剪切残余应力峰值由60kPa变为110kPa,增加近1倍,同 能,难度较大,故上述结果仅反映残余应力的相对大小。 时自由端面处界面径向残余拉伸应力由30kPa变为70kPa。 1.2纤维体积分数的影响 除以上因素外,纤维排布方式、纤维长径比、界面反应 纤维体积分数较低时,径向与周向残余应力在垂直于轴厚度等都对残余应力有明显影响。纤维体积分数大于10% 向的平面内沿增强体/基体界面均匀分布,但随着纤维体积时,六方排布的应力峰值小于四方排布对应的峰值,而且纤 分数的增加,残余应力逐渐呈现出各向异性。 Susmit Kumar维含量越高差别也越大。纤维长径比增加,界面剪切残余应 等通过有限元方法分析了 Graphite./ Aluminium复合材料力峰值改变较小,但峰值位置向纤维两端移动。界面反应层 中纤维体积分数与残余应力之间的关系,认为纤维在四方排越厚,残余应力越小 布的情况下,纤维体积分数小于20%时径向残余应力较小且 各向同性纤维体积分数达到20%以后,纤维与纤维之间相2测试方法 互作用加强,径向残余应力呈现各向异性,沿对角线方向应 金属基复合材料中热残余应力的测量主要有实验测定 力最小,离对角线45的位置出现应力峰值,且纤维含量越高方法和理论分析方法。 其相应的峰值也越高纤维体积分数达50%后沿对角线方向2.1实验测定 的径向残余应力由压缩状态变为拉伸状态。马志军等以 验测定金属基复合材料残余应力的方法主要有X射 SiC/Tr-24A-lIV为研究对象也得出类似的结论,当纤维间线衍射法、中子衍射法、基体腐蚀法和电子莫尔波纹与纤维 距降至6μm后,径向残余应力由压应力变为拉应力状态。也顶出试验相结合的方法等。X射线衍射法和中子衍射法测 就是说,复合材料中纤维体积分数达到某一临界值以后,纤定残余应力的原理相同,以X射线或中子流为入射束照射复 维/基体部分界面处于拉应力状态,严重破坏了纤维基体的合材料试样,当晶面满足布拉格条件时产生衍射得到衍射 界面结合,成为界面脱粘开裂的薄弱环节。因此,为提高复峰。复合材料中存在残余应力时晶面间距发生变化,衍射峰 合材料强度而单纯增加纤维体积分数的方法是不可取的,甚也发生相应移动,根据衍射峰位置的变化,求出残余应力 至会得到相反的结果。以上分析充分体现了纤维体积分数因射线容易获得,X射线衍射法是目前残余应力测定中较 改变时残余应力分布的各向异性,其不足之处是没有考虑高常用的方法,其缺点是穿透能力有限,只适于复合材料表层 温制备条件下界面反应相的存在及样品厚度对复合材料界10m内平均残余应力的粗略估计。刘澂等用微小X射 面残余应力的影响,周向残余应力误差较大。 线束衍射仪测得SC/A复合材料单根SC纤维边缘10m 1.3制备工艺条件的影响 处径向与周向残余应力分别为25.62MPa和29.95MPa 材料性能一定时,制备温度成为影响界面残余应力的主中子的穿透能力强,可获得复合材料内部平均残余应力,但 要因素,这一点通过残余应力的来由和基本计算公式O=E·中子源不易获得,故很少采用 Δr·Δα就能体现出来。可见,温度变化量越大,界面残余应 基体腐蚀法用电解抛光去除纤维附近的基体,测出松弛 力越大。 Xian luo等研究了SC/Cu复合材料制备温度纤维相对于仍固定在基体中纤维的长度变化,进而求出轴向 对残余应力的影响,认为纤维四方排列,体积分数20%的复平均残余应力。此方法简单易行,但因纤维在基体中排布并 合材料制备温度由650℃上升到750℃时,相应的界面最大非完全均匀,且受纤维长度测量精度限制,必然存在测量误 轴向应力(绝对值)与最大周向应力分别增加了3MPa和差 201994-2010ChinaAcademicournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://nnwcnkiner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 应力和周向应力与界面附近基体中的应力大小相近 ,趋势相 同。原因在于氧化钇涂层的杨氏模量和热膨胀系数均与基 体接近 ;而梯度 C ∶Si 涂层使复合材料界面的周向应力由无 涂层或氧化钇涂层时的拉伸状态变为压缩状态 ,轴向应力也 由氧化钇涂层时的拉伸状态变为压缩状态 ,其原因是梯度 C ∶Si 涂层的热膨胀系数远远低于基体 ,冷却过程中基体收 缩大于涂层 ,从而导致基体受拉 ,界面受压。王玉庆等[ 7 ] 对 涂层在复合材料中的力学行为进行了理论分析 ,指出界面残 余应力是热膨胀系数与弹性模量综合作用的结果 ,高模量涂 层在热膨胀系数低时才能减小界面残余应力 ,而低模量涂层 不论热膨胀系数大小均能减小界面残余应力。因此 ,选择涂 层材料时需从材料的化学性能及物理性能两方面入手 ,尽量 使它既能阻挡界面不利产物形成又能降低残余应力。从界 面残余应力角度来看 ,理想的涂层材料应具有低的杨氏模量 及低的热膨胀系数。其存在的问题是 ,与实际复杂的界面结 构相比 ,上述分析对界面相材料成分进行了一定简化。迄今 为止 ,虽有不少学者[ 8 - 10 ] 已对界面层成分进行过分析 ,但要 在界面区几微米的范围确定 2～3 层甚至更多层材料的性 能 ,难度较大 ,故上述结果仅反映残余应力的相对大小。 1. 2 纤维体积分数的影响 纤维体积分数较低时 ,径向与周向残余应力在垂直于轴 向的平面内沿增强体/ 基体界面均匀分布 ,但随着纤维体积 分数的增加 ,残余应力逐渐呈现出各向异性。Susmit Kumar 等[ 11 ]通过有限元方法分析了 Graphite/ Aluminium 复合材料 中纤维体积分数与残余应力之间的关系 ,认为纤维在四方排 布的情况下 ,纤维体积分数小于 20 %时径向残余应力较小且 各向同性 ;纤维体积分数达到 20 %以后 ,纤维与纤维之间相 互作用加强 ,径向残余应力呈现各向异性 ,沿对角线方向应 力最小 ,离对角线 45°的位置出现应力峰值 ,且纤维含量越高 其相应的峰值也越高 ;纤维体积分数达 50 %后沿对角线方向 的径向残余应力由压缩状态变为拉伸状态。马志军等[ 12 ] 以 SiC/ Ti224Al211V 为研究对象也得出类似的结论 ,当纤维间 距降至 6μm 后 ,径向残余应力由压应力变为拉应力状态。也 就是说 ,复合材料中纤维体积分数达到某一临界值以后 ,纤 维/ 基体部分界面处于拉应力状态 ,严重破坏了纤维/ 基体的 界面结合 ,成为界面脱粘开裂的薄弱环节。因此 ,为提高复 合材料强度而单纯增加纤维体积分数的方法是不可取的 ,甚 至会得到相反的结果。以上分析充分体现了纤维体积分数 改变时残余应力分布的各向异性 ,其不足之处是没有考虑高 温制备条件下界面反应相的存在及样品厚度对复合材料界 面残余应力的影响 ,周向残余应力误差较大。 1. 3 制备工艺条件的影响 材料性能一定时 ,制备温度成为影响界面残余应力的主 要因素 ,这一点通过残余应力的来由和基本计算公式σ= E · ΔT ·Δα就能体现出来。可见 ,温度变化量越大 ,界面残余应 力越大。Xian Luo 等[ 13 ] 研究了 SiC/ Cu 复合材料制备温度 对残余应力的影响 ,认为纤维四方排列 ,体积分数 20 %的复 合材料制备温度由 650 ℃上升到 750 ℃时 ,相应的界面最大 轴向应力 (绝对值) 与最大周向应力分别增加了 3MPa 和 5MPa。为此 ,在满足性能要求的前提下应尽量降低复合材 料制备温度 ,以减小残余应力。然而 ,复合材料从制备温度 开始冷却的前期阶段基体产生高温蠕变使残余应力得以释 放 ,因此 ,存在一个无应力的起始温度 ,在此温度以下才会产 生残余应力 ,但目前的大多数研究只对这一温度进行简单假 定。文献[14 ]指出 ,复合材料无应力起始温度为基体金属熔 点的 1/ 2 ,李健康等[ 15 ]虽采用混合准则及 Schapery 模型计算 出 SiC/ Ti26Al24V 残余应力的起始温度为 704 ℃,但均没有 考虑冷却速率对这一温度的影响[ 16 ] 。 1. 4 基体材料性能的影响 增强体材料与界面层相确定后 ,基体材料热膨胀系数和 杨氏模量越大 ,界面残余应力就越大。增强体热膨胀系数小 于基体热膨胀系数 ,所以基体材料热膨胀系数越大 ,两者之 间的差值就越大 ,这种由热膨胀系数不匹配引起的残余应力 也就越大 ;基体杨氏模量越高 ,柔性越差 ,越不利于界面残余 应力的释放。M. Y. Quek [ 17 ] 采用单根纤维同心圆柱模型计 算出其它条件不变时基体杨氏模量由 3 GPa 变为 15 GPa ,界 面剪切残余应力峰值由 60kPa 变为 110kPa ,增加近 1 倍 ,同 时自由端面处界面径向残余拉伸应力由 30kPa 变为 70kPa。 除以上因素外 ,纤维排布方式、纤维长径比、界面反应层 厚度等都对残余应力有明显影响。纤维体积分数大于 10 % 时 ,六方排布的应力峰值小于四方排布对应的峰值 ,而且纤 维含量越高差别也越大。纤维长径比增加 ,界面剪切残余应 力峰值改变较小 ,但峰值位置向纤维两端移动。界面反应层 越厚 ,残余应力越小。 2 测试方法 金属基复合材料中热残余应力的测量主要有实验测定 方法和理论分析方法。 2. 1 实验测定 实验测定金属基复合材料残余应力的方法主要有 X 射 线衍射法、中子衍射法、基体腐蚀法和电子莫尔波纹与纤维 顶出试验相结合的方法等。X 射线衍射法和中子衍射法测 定残余应力的原理相同 ,以 X 射线或中子流为入射束照射复 合材料试样 ,当晶面满足布拉格条件时产生衍射得到衍射 峰。复合材料中存在残余应力时晶面间距发生变化 ,衍射峰 也发生相应移动 ,根据衍射峰位置的变化 ,求出残余应力。 因 X 射线容易获得 ,X 射线衍射法是目前残余应力测定中较 常用的方法 ,其缺点是穿透能力有限 ,只适于复合材料表层 10μm 内平均残余应力的粗略估计。刘澂等[ 18 ] 用微小 X 射 线束衍射仪测得 SiC/ Al 复合材料单根 SiC 纤维边缘 10μm 处径向与周向残余应力分别为 - 25. 62MPa 和 29. 95MPa。 中子的穿透能力强 ,可获得复合材料内部平均残余应力 ,但 中子源不易获得 ,故很少采用。 基体腐蚀法用电解抛光去除纤维附近的基体 ,测出松弛 纤维相对于仍固定在基体中纤维的长度变化 ,进而求出轴向 平均残余应力。此方法简单易行 ,但因纤维在基体中排布并 非完全均匀 ,且受纤维长度测量精度限制 ,必然存在测量误 差。 ·76 · 材料导报 :综述篇 2009 年 10 月(上) 第 23 卷第 10 期
金属基复合材料界面残余应力的研究进展/娄菊红等 电子莫尔波纹与纤维顶出试验相结合的方法是用电子布,界面附近基体硬度最大(是无应力状态下的4倍左右), 刻蚀技术在试样表面制作出1000线/mm的高灵敏度光栅,远离界面硬度下降直到基体合金原始硬度。这种小范围内 然后将纤维顶出释放残余应力,利用光栅和莫尔条纹计算残力学性能的巨大变化,证实了界面附近区域高密度位错的存 余应变,从而得出界面残余应力场。这是测定界面残余应力在。 的一种高精度实验方法,缺点是只考虑了被顶出纤维对残余 复合材料界面残余应力对横向力学性能有重要作用 应力的贡献,而忽略了邻近纤维对残余应力的作用,故测量MM. Aghdam等2模拟了具有C/TiB2涂层的SC/n基复 精度受纤维体积分数的影响。纤维体积分数越低,纤维之间合材料在横向拉伸与压缩时的力学行为,其纤维排布几何模 相互作用小,测量精度就越高。但纤维顶出后半径方向残余型如图1(b)所示。他认为复合材料横向压缩强度是拉伸强 应力完全释放,径向残余应力不受此影响。Y.M.Ⅺng等度的2倍左右,这是因为基体杨氏模量低于纤维杨氏模量, 用这种方法成功测出SCS6/Tr-l5-3界面周向和径向残余应横向拉伸载荷作用下基体沿轴向的收缩大于纤维沿轴向的 力分别为476MPa和-473MPa。 收缩,导致界面受剪,且受剪方向与热膨胀系数差异引起的 2.2理论分析 界面残余剪切应力方向一致,从而引起界面剪切强度降低、 理论分析界面残余应力包括解析法和有限元法。解析纤维脱粘,复合材料提前失效;材料受压时,情况正好相反 法以细观力学为基础对复合材料代表性体元进行分析,然后所以,界面残余剪切应力对弱结合界面的横向拉伸强度不 对解析结果进行数值求解。但解析法对增强体的排布与几利。另外,由于C的强度低于TB2,因此在拉伸载荷达到 何形状均进行了简化,且不适于局部应力场的精确求解,在250MPa失效首先发生在fc界面,当载荷增加到44MPa 复合材料界面残余应力计算中应用较少。有限元法将有限后,c/m界面正方形对角线方向开始脱粘。原因在于TiB2 元计算技术与材料力学相结合,利用计算机方便、快捷的计的杨氏模量与热膨胀系数都较高,从而在c/m界面产生了很 算能力,模拟出复合材料任意微区的残余应力大小及分布状高的周向拉伸应力和径向压缩应力,但周向与径向残余应力 态,特别是一些实验测定难以实现的残余应力分析,且对增在垂直于纤维方向的平面内具有明显的各向异性,界面正方 强体的几何形状无特殊要求。因此,有限元模拟计算界面残形对角线方向周向拉伸应力最大,径向压缩应力最小,且当 余应力为许多学者所采用。但有限元模型对增强体在基体纤维体积分数大于某一临界值后,此处径向应力甚至变为拉 中的分布进行了较大的简化,并假设界面结合完好,所得结伸状态!。随着复合材料界面径向残余压应力的减小,界面 果与实际情况仍存在误差。图1列出了常用的3种有限元机械结合强度减弱,对弱结合界面横向强度不利。 计算模型:同心圆柱模型(a)、纤维四方排布模型(b)和六方 4结束语 排布模型(c)。其中同心圆柱模型忽视了增强体之间的相互 作用,仅适用于增强体体积分数较低时界面残余应力的计 金属基复合材料增强相、界面相及基体热膨胀系数的显 算。为弥补这一不足,Mulr等1提出改变边界条件,在外著差异,导致界面产生极大的残余应力,而界面残余应力对 层圆柱表面施加压应力,然而界面残余应力的横向各向异性复合材料各种宏观性能又具有重要影响这使得研究复合材 仍未体现。相比之下,四方与六方排布模型更接近实际情料界面残余应力非常重要。界面残余应力诸多影响因素中 况 由于制备温度、基体材料性能等的调整范围十分有限,故选 择合适的涂层材料成为目前降低界面残余应力最可行的手 段。另外,界面残余应力的测定技术尚不成熟,各种实验方法 仅限于平均残余应力粗略估计,解析法只适于计算复合材料 整体平均性能,有限元法虽能模拟出复合材料中界面残余应 力大小及分布状态,但有限元模型的理想化以及界面相材料 性能的难确定性也会给分析结果带来一定误差。因此,如何 将实验测定与有限元计算相结合,使残余应力测定更为准 图1有限元几何模型二维截面示意图 确,并进一步深入研究残余应力对宏观力学性能影响的规律 Fig 1 Sc tic diagram of two dimensional section 和机制都是我们今后工作的重点 for finite element geometry model 3残余应力对复合材料性能的影响 I Warrier S G, Majumdar B S, Gundel D B, et al. Implications 复合材料界面残余应力大于基体材料屈服强度时,残余 of tangential shear stress induced failure during transverse 应力部分松弛,基体合金中产生高密度位错,从而使复合材 loading of SiC/ Tr6Al-4V composites [J]. Acta Mater 料屈服强度提高。研究表明,SiC/AI复合材料残余应力使界 997,45(8):3469 面附近基体位错密度提高1~2个数量级出。这种情况下 2 Aghdam MM, Kamalikhah A. Micromechanical analysis of layered systems of MMCs subjected to bending-effects of 有限元模拟得出的残余应力值高于实际值,为残余应力上 thermal residual stresses J]. Comps Struct 2004, 66: 563 限。张国定等2测定了SCA中单根纤维周围的硬度分3 Haque S, Choy K L. Finite element modeling of the effect c1994-2010chinaAcademicournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://n.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电子莫尔波纹与纤维顶出试验相结合的方法是用电子 刻蚀技术在试样表面制作出 10000 线/ mm 的高灵敏度光栅 , 然后将纤维顶出释放残余应力 ,利用光栅和莫尔条纹计算残 余应变 ,从而得出界面残余应力场。这是测定界面残余应力 的一种高精度实验方法 ,缺点是只考虑了被顶出纤维对残余 应力的贡献 ,而忽略了邻近纤维对残余应力的作用 ,故测量 精度受纤维体积分数的影响。纤维体积分数越低 ,纤维之间 相互作用小 ,测量精度就越高。但纤维顶出后半径方向残余 应力完全释放 ,径向残余应力不受此影响。Y. M. Xing 等[ 19 ] 用这种方法成功测出 SCS26/ Ti21523 界面周向和径向残余应 力分别为 476MPa 和 - 473MPa。 2. 2 理论分析 理论分析界面残余应力包括解析法和有限元法。解析 法以细观力学为基础对复合材料代表性体元进行分析 ,然后 对解析结果进行数值求解。但解析法对增强体的排布与几 何形状均进行了简化 ,且不适于局部应力场的精确求解 ,在 复合材料界面残余应力计算中应用较少。有限元法将有限 元计算技术与材料力学相结合 ,利用计算机方便、快捷的计 算能力 ,模拟出复合材料任意微区的残余应力大小及分布状 态 ,特别是一些实验测定难以实现的残余应力分析 ,且对增 强体的几何形状无特殊要求。因此 ,有限元模拟计算界面残 余应力为许多学者所采用。但有限元模型对增强体在基体 中的分布进行了较大的简化 ,并假设界面结合完好 ,所得结 果与实际情况仍存在误差。图 1 列出了常用的 3 种有限元 计算模型 :同心圆柱模型 (a) 、纤维四方排布模型 ( b) 和六方 排布模型(c) 。其中同心圆柱模型忽视了增强体之间的相互 作用 ,仅适用于增强体体积分数较低时界面残余应力的计 算。为弥补这一不足 ,Muller 等[ 20 ] 提出改变边界条件 ,在外 层圆柱表面施加压应力 ,然而界面残余应力的横向各向异性 仍未体现。相比之下 ,四方与六方排布模型更接近实际情 况。 图 1 有限元几何模型二维截面示意图 Fig. 1 Schematic diagram of two2dimensional section for finite element geometry model 3 残余应力对复合材料性能的影响 复合材料界面残余应力大于基体材料屈服强度时 ,残余 应力部分松弛 ,基体合金中产生高密度位错 ,从而使复合材 料屈服强度提高。研究表明 ,SiC/ Al 复合材料残余应力使界 面附近基体位错密度提高 1～2 个数量级[ 21 ] 。这种情况下 , 有限元模拟得出的残余应力值高于实际值 ,为残余应力上 限。张国定等[ 22 ] 测定了 SiC/ Al 中单根纤维周围的硬度分 布 ,界面附近基体硬度最大 (是无应力状态下的 4 倍左右) , 远离界面硬度下降直到基体合金原始硬度。这种小范围内 力学性能的巨大变化 ,证实了界面附近区域高密度位错的存 在。 复合材料界面残余应力对横向力学性能有重要作用。 M. M. Aghdam 等[ 23 ]模拟了具有 C/ TiB2 涂层的 SiC/ Ti 基复 合材料在横向拉伸与压缩时的力学行为 ,其纤维排布几何模 型如图 1 (b) 所示。他认为复合材料横向压缩强度是拉伸强 度的 2 倍左右 ,这是因为基体杨氏模量低于纤维杨氏模量 , 横向拉伸载荷作用下基体沿轴向的收缩大于纤维沿轴向的 收缩 ,导致界面受剪 ,且受剪方向与热膨胀系数差异引起的 界面残余剪切应力方向一致 ,从而引起界面剪切强度降低、 纤维脱粘 ,复合材料提前失效 ;材料受压时 ,情况正好相反。 所以 ,界面残余剪切应力对弱结合界面的横向拉伸强度不 利。另外 ,由于 C 的强度低于 TiB2 ,因此在拉伸载荷达到 250MPa 失效首先发生在 f/ c 界面 ,当载荷增加到 440MPa 后 ,c/ m 界面正方形对角线方向开始脱粘。原因在于 TiB2 的杨氏模量与热膨胀系数都较高 ,从而在 c/ m 界面产生了很 高的周向拉伸应力和径向压缩应力 ,但周向与径向残余应力 在垂直于纤维方向的平面内具有明显的各向异性 ,界面正方 形对角线方向周向拉伸应力最大 ,径向压缩应力最小 ,且当 纤维体积分数大于某一临界值后 ,此处径向应力甚至变为拉 伸状态[ 11 ] 。随着复合材料界面径向残余压应力的减小 ,界面 机械结合强度减弱 ,对弱结合界面横向强度不利。 4 结束语 金属基复合材料增强相、界面相及基体热膨胀系数的显 著差异 ,导致界面产生极大的残余应力 ,而界面残余应力对 复合材料各种宏观性能又具有重要影响 ,这使得研究复合材 料界面残余应力非常重要。界面残余应力诸多影响因素中 , 由于制备温度、基体材料性能等的调整范围十分有限 ,故选 择合适的涂层材料成为目前降低界面残余应力最可行的手 段。另外 ,界面残余应力的测定技术尚不成熟 ,各种实验方法 仅限于平均残余应力粗略估计 ,解析法只适于计算复合材料 整体平均性能 ,有限元法虽能模拟出复合材料中界面残余应 力大小及分布状态 ,但有限元模型的理想化以及界面相材料 性能的难确定性也会给分析结果带来一定误差。因此 ,如何 将实验测定与有限元计算相结合 ,使残余应力测定更为准 确 ,并进一步深入研究残余应力对宏观力学性能影响的规律 和机制都是我们今后工作的重点。 参考文献 1 Warrier S G, Majumdar B S , Gundel D B , et al. Implications of tangential shear stress induced failure during transverse loading of SiC/ Ti26Al24V composites [J ]. Acta Mater , 1997 ,45 (8) :3469 2 Aghdam M M , Kamalikhah A. Micromechanical analysis of layered systems of MMCs subjected to bending2effects of thermal residual stresses [J ]. Comps Struct ,2004 ,66 :563 3 Haque S , Choy K L. Finite element modeling of the effect 金属基复合材料界面残余应力的研究进展/ 娄菊红等 ·77 ·
材料导报综述篇2009年10月(上)第23卷第10期 of a functionally graded protective coating for SiC monofila- thermal residual stress in SiC/ Cu composites when TiC or ments on Trbased composite behavior [J]. Mater Sci Eng Ni as binder []. Mater Design 2008, 29: 1755 A,2000,A291:97 14 Dieter G E. Mechanical metallurgy [M]. 2 edition. New 4丁向东,连建设,等.短纤维增强金属基复合材料的热残余 York: Mc Graw- Hill. 1976: 82 应力及其对拉伸和压缩载荷下应力分布的影响[J].兵工学15李健康,杨延清,罗贤,等.连续SiC纤维增强T基复合材 报,2002,23(2):282 料中的纵向残余热应力分析[J].金属热处理,2007,32 5 Huang Bin, Yang Yangqing, Luo Hengjun, et al. Eifect of (11):65 coating system and interfacial region thickness on the ther- 16 Vedula M, Pangborn RN, Queeney R A. Fibre ani sotropic mal residual stress in SIC/Tr6Al-4V composites [J]. Mater thermal expansion and residual thermal stress in a graphite/ Design,2008,30(3):1 aluminium [J]. Composites, 1988, 19(1): 55 6 Shaw LL, Miracle D B. Effect of an interfacial region on 17 Quek M Y. Analysis of residual stress in a single fiberma. the transverse behavior of metal-matrix composite-A fr- trix composite J]. Int J Adhens Adhes, 2004, 24: 379 te element analysis []. Acta Mater, 1996, 44(5): 2043 18刘澂,覃继宁,张国定,等.Si/A模型复合材料界面微区 7王玉庆,周本濂,王作明,等.涂层对复合材料残余应力的 残余应力口]上海交通大学学报2001,35(3):368 影响卩].复合材料学报,1994,11(4):76 19 Xing Y M. Tanaka Y, Kishimoto s, et al. Determining ir 8张国兴,康强,李阁平,等.SC增强Tr48A卜1.5Mn复合 terfacial thermal residual stress in SiC/Tr15-3 composites 材料的界面反应UJ].金属学报,2003,39(3):329 U. Scripta Mater 2003, 48: 701 Yang Y Q, Zhu Y, Ma ZJ, et al. Formation of interfacial 20 Muller W H, Schmauder S. Interface stresses in fiberreir reaction products in SC$6 SiC/ Ti2 AINb composites [J I forced materials with regular fiber arrangements [ J]. Comps Scripta Mater, 2004, 51: 385 Struct,1993,24(1):1 10 Yang Y Q, Werner A, Dudek H J, et al. TEM investiga" 21 Vogelang M, Arsenault R J, Fisher R M. An in situ tions of interfacial processes in SCS6 SiC/ TiB2/ super 2 HV EM study of dislocation generation at Al/ SiC interfaces composites J]. Comps Part A, 1999, 30: 1209 in metal matrix composites [J]. Metall Trans A 1986,17:397 odeling of residual thermal stress in graphite/ aluminum22张国定,陈煜,刘澄.金属基复合材料微区力学性能的不均 995,43(6):2417 现象[J].材料研究学报,1997,11(1) 12马志军,杨延清,朱艳,等.SiC/Ti基复合材料中纤维排布23 Aghdam MM, Falahatgar S R. Micromechanical modeling 方式对残余热应力的影响[J].西北工业大学学报,2002,20 of interface damage of metal matrix composites subjected to (2):184 transverse loading [J]. Comps Struct 2004, 66: 415 13 Luo Xian, Yang Yanqing, Li Jiankang, et al. An analysis of (责任编辑王炎) 《材料导报》研究简报征稿 《材料导报》创刊于1987年,是全国中文核心期刊,中国科技论文统计源期刊(科技核心期刊),中国科学引文数据库来源 期刊和CNKI期刊全文数据库收录期刊 科学技术的飞速发展使研究成果产出的周期缩短,对快速及时发布科学研究新成果的需求也日益增强。为使科技工作者 及其单位抢先获得科技成果的首发权和知识产权,本刊在《材料导报》(研究篇)特设“研究简报”栏目。此栏目以创新性和快速 发布研究成果为特色,主要征集学术性强、具有创新思想的研究报道,以促进成果推广和学术交流。 投稿要求 (1)研究简报是学术论文、科技报道的一种新形式,是对课题研究成果的快速报道,具有原创性和较强的学术性、创新性。 2)报道内容应为研究课题的最新阶段性或部分科研新成果或进展。 (3)文稿应论点明确、论据可靠、数据准确、逻辑严谨、文字通顺。 (4)文稿格式与研究论文相同 稀s)文稿必须经过导师和课题组的严格讨论和审查保证文稿的质量和原创性投稿作者主要针对博士、教授及研究员。 中需有第一作者简介、mail、电话、通讯地址等,以便联系 (6)研究课题必须为国家或省部级基金资助项目。 (7)来稿一律不退,请自留底稿。 二投稿及刊发 (1)投稿时请邮寄2份打印稿到重庆市渝北区洪湖西路18号《材料导报》编辑部,并请在信封上注明“特投研究简报栏 目”,同时将稿件的电子版发送至mat-rev@63.com 2)投稿一经采用将在3个月内安排发表。 (3)如有一稿多投、剽窃或抄袭行为者,切后果由作者本人负责。 《材料导报》编辑部 c1994-2010chinaAcademicournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://n.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net of a functionally graded protective coating for SiC monofila2 ments on Ti2based composite behavior [J ]. Mater Sci Eng A ,2000 ,A291 :97 4 丁向东 ,连建设 , 等. 短纤维增强金属基复合材料的热残余 应力及其对拉伸和压缩载荷下应力分布的影响 [J ]. 兵工学 报 ,2002 ,23 (2) :282 5 Huang Bin , Yang Yangqing , Luo Hengjun , et al. Effect of coating system and interfacial region thickness on the ther2 mal residual stress in SiC/ Ti26Al24V composites [J ]. Mater Design ,2008 ,30 (3) :1 6 Shaw L L , Miracle D B. Effect of an interfacial region on the transverse behavior of metal2matrix composite ———A fi2 nite element analysis [J ]. Acta Mater ,1996 ,44 (5) :2043 7 王玉庆 ,周本濂 ,王作明 , 等. 涂层对复合材料残余应力的 影响 [J ]. 复合材料学报 ,1994 ,11 (4) :76 8 张国兴 , 康强 , 李阁平 , 等. SiC 增强 Ti248Al21. 5Mn 复合 材料的界面反应 [J ]. 金属学报 ,2003 ,39 (3) :329 9 Yang Y Q , Zhu Y, Ma Z J , et al. Formation of interfacial reaction products in SCS26 SiC/ Ti2 AlNb composites [J ]. Scripta Mater ,2004 ,51 :385 10 Yang Y Q , Werner A , Dudek H J , et al. TEM investiga2 tions of interfacial processes in SCS26 SiC/ TiB2 / super α2 composites [J ]. Comps Part A ,1999 ,30 :1209 11 Susmit Kumar , Singh N. Three2dimensional finite element modeling of residual thermal stress in graphite/ aluminum composites [J ]. Acta Metal ,1995 ,43 (6) :2417 12 马志军 ,杨延清 ,朱艳 , 等. SiC/ Ti 基复合材料中纤维排布 方式对残余热应力的影响 [J ]. 西北工业大学学报 ,2002 ,20 (2) :184 13 Luo Xian , Yang Yanqing , Li Jiankang , et al. An analysis of thermal residual stress in SiC/ Cu composites when TiC or Ni as binder [J ]. Mater Design ,2008 ,29 :1755 14 Dieter G E. Mechanical metallurgy [ M ]. 2 nd edition. New York : Mc Graw2Hill ,1976 :82 15 李健康 ,杨延清 ,罗贤 , 等. 连续 SiC 纤维增强 Ti 基复合材 料中的纵向残余热应力分析 [J ]. 金属热处理 , 2007 , 32 (11) :65 16 Vedula M , Pangborn R N , Queeney R A. Fibre anisotropic thermal expansion and residual thermal stress in a graphite/ aluminium [J ]. Composites ,1988 ,19 (1) :55 17 Quek M Y. Analysis of residual stress in a single fiber2ma2 trix composite [J ]. Int J Adhens Adhes ,2004 ,24 :379 18 刘澂 ,覃继宁 ,张国定 , 等. SiC/ Al 模型复合材料界面微区 残余应力 [J ]. 上海交通大学学报 ,2001 ,35 (3) :368 19 Xing Y M , Tanaka Y , Kishimoto S , et al. Determining in2 terfacial thermal residual stress in SiC/ Ti21523 composites [J ]. Scripta Mater ,2003 ,48 :701 20 Muller W H , Schmauder S. Interface stresses in fiber2rein2 forced materials with regular fiber arrangements [J ]. Comp s Struct ,1993 ,24 (1) :1 21 Vogelang M , Arsenault R J , Fisher R M. An in situ HV EM study of dislocation generation at Al/ SiC interfaces in metal matrix composites [J ]. Metall Mater Trans A , 1986 ,17 :397 22 张国定 ,陈煜 ,刘澄. 金属基复合材料微区力学性能的不均 匀现象[J ]. 材料研究学报 ,1997 ,11 (1) :21 23 Aghdam M M , Falahatgar S R. Micromechanical modeling of interface damage of metal matrix composites subjected to transverse loading [J ]. Comps Struct ,2004 ,66 :415 (责任编辑 王 炎) 《材料导报》研究简报征稿 《材料导报》创刊于 1987 年 ,是全国中文核心期刊 ,中国科技论文统计源期刊(科技核心期刊) ,中国科学引文数据库来源 期刊和 CN KI 期刊全文数据库收录期刊。 科学技术的飞速发展使研究成果产出的周期缩短 ,对快速及时发布科学研究新成果的需求也日益增强。为使科技工作者 及其单位抢先获得科技成果的首发权和知识产权 ,本刊在《材料导报》(研究篇) 特设“研究简报”栏目。此栏目以创新性和快速 发布研究成果为特色 ,主要征集学术性强、具有创新思想的研究报道 ,以促进成果推广和学术交流。 一 投稿要求 (1) 研究简报是学术论文、科技报道的一种新形式 ,是对课题研究成果的快速报道 ,具有原创性和较强的学术性、创新性。 (2) 报道内容应为研究课题的最新阶段性或部分科研新成果或进展。 (3) 文稿应论点明确、论据可靠、数据准确、逻辑严谨、文字通顺。 (4) 文稿格式与研究论文相同。 (5) 文稿必须经过导师和课题组的严格讨论和审查 ,保证文稿的质量和原创性 ,投稿作者主要针对博士、教授及研究员。 稿件中需有第一作者简介、E2mail 、电话、通讯地址等 ,以便联系。 (6) 研究课题必须为国家或省部级基金资助项目。 (7) 来稿一律不退 ,请自留底稿。 二 投稿及刊发 (1) 投稿时请邮寄 2 份打印稿到重庆市渝北区洪湖西路 18 号《材料导报》编辑部 ,并请在信封上注明“特投研究简报栏 目”,同时将稿件的电子版发送至 mat2rev @163. com。 (2) 投稿一经采用将在 3 个月内安排发表。 (3) 如有一稿多投、剽窃或抄袭行为者 ,一切后果由作者本人负责。 《材料导报》编辑部 ·78 · 材料导报 :综述篇 2009 年 10 月(上) 第 23 卷第 10 期
