硼钛复合纤维拉伸曲线分析

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1993.01.023 第15卷第1期 北京科技大学学报 Vol.15 No.1 1993年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.1993 硼钛复合纤维拉伸曲线分析 许洋*张东彬”刘慕怡*李承基* 摘要：研究了硼钛复合纤维在拉伸过程中的行为。结果表明：复合纤维的变形是由纤维的弹性 应变与基体的弹塑性应变复合选加而成。并且在纤维与基体结合十分牢固，基体组元体积分数 又较少的情况下，复合纤维表现为高强度、高弹性模量及低塑性。将试验结果同理论计算模型 进行了比较，所得结果基本一致。 关键词：翻纤维，钛基复合材料，应力一应变曲线 Analysis of Stress-Strain Behavior of Bw/Ti Composite Fiber Xu Yang'Zhang Dongbin Liu Muyi*Li Chengji" ABSTRACT:Characterization of Bw /Ti composite fiber stress-strain response was ex- plored.Both of experimental and composite consists of elastic deformation of fiber and elas- tic-plastic deformation of matrix.In addition ,under the condition of firmly coherent inter- face between fiber and matrix as well as less than 50%volume fraction of matrix compo- nent,the composite fiber performs a high strength,high modulus and low plasticity behavior which means ensurement of excellant properties for fiber and limitation of plastic potentiality for matrix.Finally ,comparison between experimental and theoretical results was made and the agreement of both was satisfactory. KEY WORDS:boron fiber,titanium matrix composite,stress-strain response. 钛基纤维增强复合材料是最近发展起来的一种性能优异的结构材料。目前，美国等西 方发达国家在钛基复合材料的复合工艺、界面性质、力学行为等方面进行了大量的研 究1-)。而国内尚未见到有关报道。 钛基纤维增强复合材料制备工艺的难点在于，在提高复合空固性的同时需兼顾复合过 程中防止纤维的损伤。为此，作者首先采用物理或化学表面技术对纤维进行了涂覆处理， 得到硼钛复合纤维，即在硼纤维周围均匀牢固地包覆一层塑性钛。这层塑性钛在复合工艺 (热压、热轧)中既可以起到对纤维的保护作用；又可获得牢固的结合。因此，对硼钛复 合纤维变形行为的研究是十分重要的。本文采用拉伸试验对丽钛复合纤维的应力一应变行 为及其影响因素进行了初步研究，并将实验结果与理论计算进行了比较。 1992-06-17收稿 材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engineering) 第一作者许洋男32讲师

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 朽 乒 硼钦复合纤维拉伸曲线分析 · 许 洋 张东彬 刘慕 怡 ’ 李承基 ’ 摘要 研究了硼钦 复合纤维在拉 伸过程 中的行为 。 结果表明 复合纤维的 变形是 由纤 维的弹性 应 变与墓体 的弹塑性应变复合迭 加 而成 。 井且 在纤 维与基体结合十 分 牢 固 ， 基体组元体积分 数 又 较少的情况下 ， 复合纤维表现为 高强度 、 高弹性 模量及低塑性 。 将试验结果 同理论计算模 型 进行了比较 ， 所得结果基本一致 。 关键词 硼纤维 ， 钦基 复合材料 ， 应 力一应变曲线 一 云刀 ’ 户 沙 ‘ 、 叮 ’ ， ‘ 一 次 王 一 ， ， ， 而 ， ， ， 一 钦基纤 维增强 复合材料是最近发展起来的一种性能优异的结构材 料 。 目前 ， 美国等西 方发 达 国家 在钦 基 复合 材料 的 复合 工 艺 、 界 面性 质 、 力学 行 为等 方 面 进 行 了 大量 的 研 究 〔 ‘ 一 〕 。 而国内尚未见到有关报道 。 钦基纤 维增强 复合材料制备工艺的难 点在于 ， 在提高复合牢固性 的 同时 需兼顾复合过 程 中防止 纤 维的损伤 。 为 此 ， 作者首先采用 物理或化学表 面技术对纤 维进 行 了涂覆处 理 ， 得到硼 钦 复合纤 维 ， 即在硼纤 维 周 围均 匀 牢固地 包覆一层 塑性钦 。 这 层塑性 钦 在复合 工艺 热压 、 热轧 中既可 以起到对纤维的 保护作 用 又可 获得 牢固的结 合 。 因此 ， 对硼 钦 复 合纤 维变形 行为的研究 是 十分重 要 的 。 本文 采用 拉伸试验对 硼 钦 复合纤 维 的应 力一 应变行 为及其影响因素进 行 了初步研究 ， 并将实验结果与理 论计算进 行 了比较 。 一 一 收稿 材料科学与工程 系 第一作者 许 洋 男 讲师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．01．023

·128· 北京科技大学学报 1993.No.1 1实验方法与结果 1.1实验材料及设备 复合纤维拉伸试样采用直径140μm的硼钛复合纤维，共中硼纤维直径105μm,钛镀 层约20μm左右。 复合纤维拉伸试验在LLD ID小型拉神试验机上进行。将复合纤维直接固定于夹头 上，载荷与位移记录通过传感器经计算机绘出。由于复合纤维较细，无法承受位移引伸计 25 重量，因此直接测量试样夹头之间的距离变 化作为位移，试样标距（即夹头原始距离） 为80mm,加载速度lmm/min。 20 复合纤维共拉伸了9根试样，除去发生 -一-绍纤维 两处折断或破断处与夹头距离小于10mm Bw/T复合纤维 的3根试样外，其余6根数据重复性较好， 15 一针丝 主要指标差异均小于30%。 钛拉伸试样采用直径lmm的退火态纯 10 钛丝。试验在1 NSTRON材料试监机上进 行，试样标距为163~180mm(采用引伸 计)，共拉伸了3根试样，加载速度为 5 5mm/min。 1.2实验结果及分析 选用性能反映平均水平的C,复合纤维 10 50 100 试样与M,号钝钛试样作出拉伸应力一应变 e.×10-」 曲线如图1所示。图中硼纤维曲线根据文献 困1材料的拉伸曲线 [S]中σ及E的数据绘出。材料的主要性能 Fig.I Tensile curves of diffrent materials 由表1给出。 表1材料的主要性能 Table 1 Properties of diffrent materials x02(MPa)a(MPa) E(GPa) Eg 6(%) B 硼纤维 3380 379 0.0085 :复合纤维 843 2230 187.3 0.0045 0.0155 1.55 钛丝 281 335 65.1 0.0061 0.224 22.4 1.17×1038.36 由表1可以看出，硼纤维经钛镀层包役后，强度值虽有所下降、塑性值却有所上升。 硼钛复合纤维的断裂应变比硼纤维提高了近1倍，延伸率也由硼纤维的0%提高到 1.5%。由此可见，硼钛复合纤维与翻纤维相比，抗应变能力有所提高。 试验结果还表明，复合纤维的位伸应力一应变曲线呈现两个线性部分（这一现象具有

北 京 科 技 大 学 学 报 实验方 法 与结果 实验材料及设备 复合 纤 维 拉 伸 试 样采 用 直 径 月 的硼 钦 复合 纤 维 ， 其 中硼纤 维 直 径 月 ， 钦 镀 层约 拜 左 右 。 复合 纤 维 拉 伸试验 在 小 型 拉神 试验 机上 进 行 。 将 复合 纤 维 直接 固定 于 夹头 上 ， 载荷 与位 移记 录通 过 传感 器 经 计 算机绘 出 。 由于 复合 纤维 较 细 ， 无法承 受位 移 引伸计 ￡ 一 图 材料的拉伸 曲线 … …一 绷 纤维 － 石 复合纤 维 一 七‘ 石石 ， … 一 ’ 一 ……侣 ， 一 ‘ ， ’ 一 ’ 一 ’ … ， 曰 ， － 一 一 重量 ， 因此 直接 测 量 试 样夹头 之 间的 距离 变 化 作为 位 移 ， 试样标 距 即 夹 头 原 始 距 离 为 ， 加载 速度 。 复 合 纤 维共 拉 伸 了 根 试 样 ， 除 去发 生 两 处 折 断 或 破 断 处 与夹 头 距 离 小 于 的 根 试样 外 ， 其余 根 数据 重 复性 较 好 ， 主要指标差异均小 于 。 钦 拉 伸 试 样 采 用 直 径 的 退 火 态 纯 钦 丝 。 试验 在 材 料 试验 机 上进 行 ， 试 样 标 距 为 一 采 用 弓 伸 计 ， 共 拉 伸 了 根 试 样 ， 加 载 速 度 为 。 实验结果 及分析 选 用 性 能 反 映 平 均 水 平 的 ，复 合 纤 维 试样与 号钝 钦 试样作 出拉伸应 力一应 变 曲线 如 图 所示 。 图 中硼纤 维 曲线 根 据文献 」中 。 及 的 数 据 绘 出 。 材 料 的 主 要性 能 由表 给 出 。 表 材料的 主要性能 厅 以 占 刀 硼纤 维 钱 复合 纤 维 伙丝 刀 习 刀 一 一 一 由表 可 以 看 出 ， 硼 纤 维 经 钦 镀 层 包 覆后 ， 强 度值虽有所 下降 、 塑性 值 却有所 上 升 。 硼 钦 复 合 纤 维 的 断裂 应 变 比 硼 纤 维 提 高 了近 倍 ， 延 伸 率 也 由硼 纤 维 的 提 高 到 。 由此可 见 ， 硼钦 复合纤 维 与硼纤维 相 比 ， 抗应 变能 力有所 提高 。 试 验 结果 还 表 明 ， 复合 纤 维 的 位 伸应 力一 应 变 曲线 呈 现 两 个 线性 部分 这一现 象具有

Vol.15 No.1 福钛复合纤维拉伸曲线分析 ·129, 相当普遍性)，其中第一部分反映了纤维与基体的弹性变形阶段；第二部分反映了纤维的 弹性变形与基体的塑性变形。然而第二部分直线的斜率与第一部分相差不大，这表明尽管 基体发生了塑性变形，但对整个复合纤维的变形贡献甚微。 此外，从复合纤维拉伸断口的扫描电镜照片中可以看到（图2），纤维与基体结合十 分牢固，在拉伸过程中没有拔出与脱粘现象。这表明基体在塑性变形时将受到很大约束， 反映在拉伸曲线上即为复合纤维的屈服强度提高与总应变减少。 因此，尽管复合纤维的塑性能力有所改善，但当其界面结合牢固并且塑性基体体积分 数较少时，复合纤维的变形程度取决于纤维所能承受的最大应变量。此时基体的塑性潜力 受到限制。 2理论计算 2.1应力、应变关系 考虑一个复合纤维的单元体垂直于横截面的单轴载荷拉伸（如图3），假设单元体在 整个变形过程中遵循等应变变形原则，则下列关系成立： Be=Er-Em (1) Oe=viofFvmOm (2) 式中e、。分别表示应变及应力；下标c、f、m分别表示复合纤维、纤维及基体， v表示某组元的体积分数。 p 纤维 基体 20ku13025 p 图2复合纤维拉伸断口 图3复合纤维受载示意图 Fig.2 Fracture surface of composite fiber Fig.3 Schematic illustration of loaded composite fiber 又假设纤维在整个变形过程中保持线弹塑性，而基体为弹塑性，且塑性变形符合指数 强化行为，则有： (1)在两组元弹性变形阶段 8=(1/E)ar (3) Em=(1/Em)om (4) 代入(1)2)式，则有： Ge-Ecte (5) 式中： Ec=VrEr+VmEm (6) E表示材料的弹性模量

硼钦复合纤维拉伸曲线分析 相 当普遍性 ， 其 中第一部分反映 了纤 维 与基体的弹性变形 阶段 第二 部分反映 了纤维的 弹性变形与基体的塑性变形 。 然而第二部分直线的斜率与第一部分相差不大 ， 这表明尽管 基体发生 了塑性变形 ， 但对整个复合纤维的变形贡献甚微 。 此外 ， 从 复合纤维拉 伸断 口 的扫描电镜照 片 中可 以看到 图 ， 纤维 与基体 结合十 分牢固 ， 在拉伸过 程 中没有拔 出与脱粘现 象 。 这表 明基体在塑性变形 时将受到很 大约束 ， 反映在拉伸曲线上 即为 复合纤 维的屈服强度提高与总应变 减少 。 因此 ， 尽管复合纤维的塑性能 力有所改善 ， 但 当其界面结合 牢固并且塑性基体体积分 数较少时 ， 复合纤 维的变形程度取 决于纤 维所能承受 的最大应变量 。 此时基体的 塑性潜 力 受到限制 。 理论计算 应力 、 应变关系 考虑一 个复合纤维的单元 体垂直 于横截 面的单轴 载荷拉 伸 如 图 ， 假设 单元体在 整个变形过程 中遵循等应 变变形原则 ， 则 下列关 系成立 。 。 二 。 。 ，声 式 中 。 、 。 分 别 表 示 应 变 及 应 力 下 标 、 爪 分 别表 示 复 合 纤 维 、 纤 维 及 基 体 ， 表示某组元 的体积分数 。 “ 纤维 图 复合纤维拉伸断 口 图 复合纤维受载示意图 · 又 假设纤维在整个变形过程 中保持线弹塑性 ， 而基体为弹 塑性 ， 且塑性变形 符合指数 强化行 为 ， 则有 在两组元弹性变形阶段 。 。 。 二 叮 代入 式 ， 则有 二 。 式 中 万 凡 表示材料的弹性模量

·130· 北京科技大学学报 1993.No.1 (2)在纤维弹性变形、基体塑性变形阶段：对于基体：m=Bσ0 (7) 相应的应力、应变增量为： dem=namdom (8) 当n值较大时（即基体强化行为不显著），(8)式中的σm可用基体屈服强度及抗拉强度 的平均值近似，即：·m=G=1/2(am+amb) 故(8)式为：de.=n-dom (9) 或： E=nga"-a (10) 将(3)(10)式代人(1)2)式，得： o。=(v,E,+vn/nG-'E (11) 2.2屈服点的确定 由于界面的存在，基体的塑性变形将受到约束，从而使屈服点提高。设复合纤维的屈 服极限为Gc,定义塑性约束系数k=。/0m 则：k=(vrErtvmEm)8e/Emm≈(vrEr/Em+Vm) (12) 3讨论 对于连续纤维增强金属基复合材料的应力-应变行为，以下特点已被普遍接受〔6-)。 (1)纤维在整个变形过程直至破断前全部表现为弹性变形，而金属基体为弹塑性变 形：(2)复合材料屈服极限较低，一般不超过抗拉强度的5%：(3)当纤维与基体界面结合 十分牢固时，复合材料断裂前应变很小，通常与纤维的应变处于同一数量级。在前面的复 合纤维拉伸试验与理论计算都表明与上述现象基本相符。表2列出了硼钛复合纤维各种性 能的理论计算与实测值。图4为根据两类数据绘制的曲线。 表2逼钛复合纤维各类性能的计算与实测值 Table 2 Experimental and calculated results of B/Ti composite fiber E(GPa) o,(MPa) a(MPa) 6 6(%) 第1部分 第2部分 计算值 1025 2010 237.7 210.7 0.0085 0 实测值 843 2230 187.3 182.0 0.0045 0.0155 1.55 *注：对于本实验所用试样，=0.55.m=0.45 下面讨论(2)和(3)二个特点。 首先由(11)式可知，基体发生屈服后，复合纤维的应力-应关系为： =(v E:+v/nBG"ee=Ete 若将括号中内容视为有效模量E,则它由代表纤维弹性变形的'，￡，项与代表基体塑 性变形的vn/nG”-'两部分组成。对于本文所用的材料，前一项值为208450MPa,后

北 京 科 技 大 学 学 报 一 。 产、、产龟口 ，了 声 ‘ 、了 ‘ 、 在纤维弹性变形 、 基体塑性变形阶 段 对于墓体 二 刀，二 相应的 应 力 、 应变增量为 。 二 二 口 万 ’ 。 二 当 值较大时 即基体强 化行 为不显著 ， 式 中的 ， 可用基体屈 服 强度及 抗拉强 度 的平均值近似 ， 即 故 式为 厅 口 万二 ，砂‘ 口 二 邓犷 一 ‘ 厅 几砰护 闷 “ 。 峭犷 一 ’ ， 将 式代入 式 ， 得 “ 。 一 石， ， 二 月万 ’ 一 ’ 。 屈服点的确定 由于界面的存在 ， 基体的 塑性 变形将受到约束 ， 从 而使屈 服 点提高 。 设 复合纤 维的 屈 服极限 为 。 ，， 定义塑性约束 系数 二 叮， 。 二 则 汁、 凡 。 、 “ 禹 二 讨 论 对于连续纤维增强金属基复合材料的应力一应变行为 ， 以下特点 已被普遍接受 〔 一 ，〕 。 纤 维 在 整个变形 过 程直 至破 断 前全 部表现 为弹 性 变形 ， 而 金 属 基体 为 弹 塑性 变 形 复 合 材料屈 服 极限较 低 ， 一般不超 过抗 拉强度的 当纤维与基体界 面结 合 十分牢固时 ， 复合 材料断裂前应变很小 ， 通常 与纤维 的应变处于 同一数 级 。 在前面的 复 合纤维拉伸试验与理 论计算都表明与上述现象基本相符 。 表 列出 了硼钦复合纤 维各种性 能的理论计算与实侧值 。 图 为根据两 类数据绘 制的 曲线 。 ’ 裹 翻枕复合纤维各类性能的计算与实浏值 。 口。 第 部分 第 部分 凡 占 计算值 实侧值 一 以抖 ， 注 对干本实脸所用试样 ， ， 二 下 面讨论 和 二 个特点 。 首先 由 式可 知 ， 基体发生屈 服后 ， 复合纤维的应 力一 应关 系为 ， 。 一 ， ， ，。 刀万 ” 一 ’ 。 一 风 。 。 若将括号 中内容视为有效模量 。 ， 则它 由代表纤 维弹性变形的 ， ， 项与代表基体塑 性变形 的 ， 。 犷 一 ’ 两 部分组成 。 对于本文 所用的材料 ， 前一项值为 ， 后

Vol.15 No.1 硼钛复合纤维拉伸曲线分析 ·131· 一项为2272MP,仅为前一项的1%。也就是说.基体的塑性变形对整个复合纤维的变 形影响甚微，这是复合纤维低应变断裂的主要原因。 其次，由于界面塑性约束作用使复合纤维屈服点提高的 辐度为：K=0。:/口m,。对于硼钛复合纤维，由(12)式 20 得K≈3.5，即0，≈3.50m。而复合纤维的抗拉强度： 0b=0a+(,E,+vn/nG"-'8。≈o。+E,8 ∴.0b/oa=1+,Er5。/o、=1+,E。/3.5Em8m ≈1+vE,/3.5Em=1.92, 即复合纤维的屈服强度仅为其抗拉强度的一半。 理论计算值与实测结果之间的差异，我们认为主要是由×10 于应变测量不够精确所引起的。特别是对于实测曲线上在屈6 服之后出现较大应变（类似于低碳退火钢的屈服平台）尚不能 作出满意的解释。此外，其它因素也会对实验结果产生一定 5 影响，如用退火钛丝模似由物理方法获得的钛镀层；未考虑 由于组元之间热膨胀系数差异造成的残余应力及显微结构影 一计算结果 响等。因此，本文仅提供了一个粗糙的模型。 剥量结果 0 0 51015 4结论 e×10-3 图4硼钛复合纤维拉伸曲线 (1)硼纤维经钛镀层包覆后塑性性能有所提高，因而 Fig.4 Tensile corve of 硼钛复合纤维对防止硼纤维在复合工艺中的损伤能 Bw/Ti fiber 起到一定保护作用。 (2)复合纤维的拉伸过程由纤维的弹性变形与基体的弹塑性变形复合迭加构成。 (3) 当塑性组元体积分数较少时，复合纤维的变形遵循等应变变形原则，由此导出 的应力一应变关系与实验结果基本相符。 参考文献 1 Smith Paul R,Froes H.US Pat 4 499 156,1985 2 Park Y H,Narayen D,Marcus H L.Mater Sei Eng,1984,67:79 3 Jones Kiely C J and Wang S S.J Mater Res 1990,5(7):435 4 Mahulikar Deepak and Marcus H L.Met Trans A,1984,15A:209 5高山，孙长义，戴南荣第三届中国青年材料科学研讨会论文集（下），西北工大 学报编辑部，1991,199 6 Sun C T,Chen J L.Composite Sci and Tech,1991,40:115 7 Dvorak G J,Bahe-EL-Din Y A.J of Applied Mech,1982,49:327 8 Kenega D,Doyle J E and Sun C T.J of Composite Mater,1987,21:516

硼钦复合纤维拉伸 曲线分析 一项为 ， 仅 为前一项的 。 也就是说 基体的塑性变形 对整个复合纤 维的变 形影响甚微 ， 这是 复合纤维低应变 断裂的主要 原因 。 七一层把 其次 ， 由于界面塑性 约束作用 使复合纤 维屈 服 点提 高的 幅 度为 二 气 。 ， 。 对 于 硼 钦 复合 纤维 ， 由 式 得 ‘ ， 即 “ “ 。 ， ， 。 而复合纤 维的抗拉强 度 。 。 。 一 。 。 。 。 ‘ ，二 刀万 ” 一 ’ 。 。 二 。 。 ，。它 。 。 · ’ · “ 比 ‘ 。 “ 。 “ 。 二 ， 产 。 · 二。 急 · 二 · 即 复合纤维的屈 服强 度仅为其抗拉强 度的一 半 。 理 论计算值 与 实测结果之 间的差异 ， 我们 认为主 要是 由 于应 变测量不够精确所引起 的 。 特别是对 于 实测 曲线上在屈 服之 后 出现较大应变 类似于低碳退 火 钢的屈 服平 台 尚不能 作出满意的解释 。 此外 ， 其它 因素也会对实验 结果产生一 定 影 响 ， 如 用 退火 钦 丝 模似 由物理方法 获得 的 钦 镀层 未 考虑 由于组 元之 间热膨胀系数差异造成 的残 余应 力及显 微结构影 响等 。 因此 ， 本文仅提供 了一 个粗糙的模型 。 口 一 一才共转果 － 侧世结果 结 论 硼纤维经钦镀层包覆后塑性性能有所提高 ， 因而 硼 钦复合纤维对防止硼纤 维在复合 工艺 中的损伤能 起 到一定 保护作用 。 名 一 图 硼钦复合纤维拉伸曲线 书 仙 复合纤维的拉伸过程 由纤 维的弹性变 形与基体的弹 塑性变形 复合迭加构成 。 当塑性组元体积分数较 少时 ， 复合纤 维的变形遵循 等 应 变变形原 则 ， 由此导 出 的应 力一 应变关 系与实验结果基本相符 。 参 考 文 献 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 高 山 ， 孙长义 ， 戴南荣 第三届 中国青年材料科学研讨会 论文集 下 ， 西北工 大 学报编辑部 ， ， ， ， ， ， 一 一 ， ， ， ，