。596 北京科技大学学报 第31卷 界面应力： 接近 (am-g)△t (3)分析了热膨胀对材料内部残余应力和试样 P-0 5(1+Vm)+(1+2V Vp(1-2Vp 9) 形变的影响，指出具有高温低膨胀性的(A1203十 En(1-Vp) Ep Al3Zmp/A一12%Si颗粒增强铝基复合材料能有效 式中，o为径向应力，P为界面应力，a为颗粒半 防止材料高温时的塑性变形 径，r为基体受力点到颗粒中心的径向距离，V为颗 粒体积分数，m为切向应力，△1为温度差.从上式 参考文献 可看出，应力随r的减小而增大，在基体与颗粒增 [I]LiG R.Zhao Y T.Dai Q X.et al.In-situ fab rication of particu- late reinforoed alminum matrix com posites under high-fqency 强相的界面处达到最大，所以材料的塑性变形最可 pulsed ekctmomagnetic field JUniv Sci Technol Beijing.2007. 能开始于界面. 14(5):460 试样升温过程中，约束基体膨胀的只有脆性颗 [2 Tjong SC.MaZ Y.Microstnuctural and mechanical characteristics of 粒，而这种约束主要依靠界面区来传递.增强体/基 in situ metal matrix composites.Maer Sci En R,2000,29:49 [3 Yu P.Mei Z S,Tjong C.Structure.themal and mechanical 体界面状况是影响材料热膨胀性能的重要因素，颗 properties of in situ AHbased metal matrix composite reinforced 粒体积分数越高，界面的情况就越复杂.Vaidya认 with Ak03 and TiC submicmn particles.Mater Chem Phys, 为，当颗粒附近基体某点的应力满足|o,一g>。 2005,93:109 (o,为基体的屈服强度，对于A一12%Si铝合金， [4 Tjong S C.Wang G S.Mai Y W.High cycle fatigue response of in situ Ahased composites contairing TiB and AlO3 submicron c,=312MPa,室温)，那么此点将有产生弹塑性变 parti cles.Compas Sci Technol,2005,⑤：1537 形的倾向.当试样温度较低时(<300℃)，基体的强 [5 Chen LG.Lin S J,Chang Y.Tensile properties and themmal 度较高，复合材料基体与颗粒界面处存在的应力作 expansion behaviors of continuous molybdenum fiber reinforced aluminum matrix com posites.Compas Sci Technol.2006.66 用，还不能满足|o一>σ，的条件，所以残余应力 (11/12):1793 不会引起基体的塑性变形；但当试样温度超过 [6 Rohatgi P K.Gupta N.Alraj S.Thermal expansion of al- 300℃后，基体强度下降（对于A一12%Si铝合金， minum-fl ash cenosphere composites synthesized by pressue in- c,=30MPa300C),同时界面热应力随温度升高 filtration technique.J Compos Mater.2006.40(13):1163 [7 Tjong SC.Tam K F.Mechanical and themal expansion bchavior 而增加，颗粒附近区域基体中存在的应力已满足 of hipped aluminunTiB2 composites.Mater Chem Phys,2006. |σ，一ol>o,的条件，结果就会在基体中产生塑性 97(1):91 变形. [8 Fei W D.Wang L D.Themal expansion behavior and themal 综上所述，要防止复合材料在使用过程中因为 mismatch stress of alminum matrix composite reinforced by bet eucryptite particle and aluminm borate whisker.Mater Chem 塑性变形而影响结构尺寸，就要抑制材料的热膨胀， Phs,2004.85(2/3):450 减小高温时复合材料的热膨胀系数.通过对 [9 Chaw la N,Deng X,Schnel D R M.Thermal expansion (Al03+AbZr)p/A-12%Si复合材料在50~500℃ anisotropy in extruded SiC particle reinforced 2080 aluminum alloy 热膨胀性的研究表明：该材料高温热膨胀系数小，对 matrix composites.Mater Sci Eng A.2006.426(1/2):314 [10 LiG R.Zhao Y T.Dai Q X.et al.Fabrication and properties of 防止材料变形是十分有益的. in situ synthesized partices winforced alumimm matrix compos ites of Al-Zr0-B system.J Mater Sci,2007,42(14):5442 3结论 [1 Xu Q Y.Chen Y Y.Li Q C.Fabrication and heat expansion (1)研究了(A203十A1Z)p/A一12%Si颗粒增 propeny of aluminum alloy and slat composite.J Compos. 1999,16(2):77 强铝硅基复合材料的热膨胀性.结果表明：影响材 (许庆彦，陈玉勇，李庆春.铝合金一盐复合体的制备及热膨 料平均线膨胀系数的主要因素是颗粒体积分数和试 胀性能研究.复合材料学报，1999,16(2)：77) 样温度.当颗粒理论体积分数在5.5%~27.5%范 [12 Tian R Z Wang Z T.Alumin um A lloy and Process Manual. 围内时，随体积分数增加，线膨胀系数减小，但都较 Changsha:Central South Uriversity Press,1988 (田荣璋，王祝堂.铝合金及其加工手册.长沙：中南大学出版 基体铝合金的膨胀系数小；当试样温度在50~ 社，1988) 300℃时，随温度增加，平均线膨胀系数逐渐增加； [13 Wu S S.Yan Y W.Interfacial Engineering of Materials 当试样温度在300~500℃时，随温度增加，平均线 Forming.Beijng:Chemistry Industry Press,2006 膨胀系数逐渐减小：300℃时平均线膨胀系数最大. (吴树森，严有为.材料成形界面工程.北京：化学工业出版 社，2006 (2)用Rom、Turner和Kerner模型计算了理论 [14 Vaidya R U,Chairla KK.Themal expansion of metal-matrix 热膨胀系数，其中Turner模型的预测值与实际值较 composites.Compos Sci Technol.1994.50(1):13界面应力: P = ( αm -αp)Δt 0.5( 1 +Vm) +( 1 +2V m) Em( 1 -Vp) + Vp( 1 -2 Vp) Ep ( 9) 式中, σr 为径向应力, P 为界面应力, a 为颗粒半 径, r 为基体受力点到颗粒中心的径向距离, V 为颗 粒体积分数, σθ为切向应力, Δt 为温度差.从上式 可看出, 应力随 r 的减小而增大, 在基体与颗粒增 强相的界面处达到最大, 所以材料的塑性变形最可 能开始于界面. 试样升温过程中, 约束基体膨胀的只有脆性颗 粒, 而这种约束主要依靠界面区来传递 .增强体/基 体界面状况是影响材料热膨胀性能的重要因素, 颗 粒体积分数越高, 界面的情况就越复杂.Vaidya 认 为, 当颗粒附近基体某点的应力满足 σr -σθ >σy ( σy 为基体的屈服强度, 对于 Al -12 %Si 铝合金, σy =312 M Pa, 室温), 那么此点将有产生弹塑性变 形的倾向 .当试样温度较低时( <300 ℃), 基体的强 度较高, 复合材料基体与颗粒界面处存在的应力作 用, 还不能满足 σr -σθ >σy 的条件, 所以残余应力 不会引起基体的塑性变形 ;但当试样温度超过 300 ℃后, 基体强度下降( 对于Al-12 %Si铝合金, σy =30 MPa, 300 ℃), 同时界面热应力随温度升高 而增加, 颗粒附近区域基体中存在的应力已满足 σr -σθ >σy 的条件, 结果就会在基体中产生塑性 变形 . 综上所述, 要防止复合材料在使用过程中因为 塑性变形而影响结构尺寸, 就要抑制材料的热膨胀, 减小 高温 时复 合材料 的热 膨胀系 数.通过 对 (Al2O3 +Al3Zr) p/Al-12 %Si 复合材料在50 ～ 500 ℃ 热膨胀性的研究表明 :该材料高温热膨胀系数小, 对 防止材料变形是十分有益的. 3 结论 ( 1) 研究了( Al2O3 +Al3Zr) p/Al-12 %Si 颗粒增 强铝硅基复合材料的热膨胀性.结果表明 :影响材 料平均线膨胀系数的主要因素是颗粒体积分数和试 样温度 .当颗粒理论体积分数在 5.5 %～ 27.5 %范 围内时, 随体积分数增加, 线膨胀系数减小, 但都较 基体铝合金 的膨胀系数小 ;当试样温 度在50 ～ 300 ℃时, 随温度增加, 平均线膨胀系数逐渐增加 ; 当试样温度在300 ～ 500 ℃时, 随温度增加, 平均线 膨胀系数逐渐减小;300 ℃时平均线膨胀系数最大. ( 2) 用 Rom 、Turner 和 Kerner 模型计算了理论 热膨胀系数, 其中 Turner 模型的预测值与实际值较 接近. ( 3) 分析了热膨胀对材料内部残余应力和试样 形变的影响, 指出具有高温低膨胀性的( Al2O3 + Al3Zr) p/Al-12 %Si 颗粒增强铝基复合材料能有效 防止材料高温时的塑性变形 . 参 考 文 献 [ 1] Li G R, Zhao Y T, Dai Q X, et al.In-situ fab rication of particu￾late reinforced aluminum matrix com posites under high-frequency pulsed electromagnetic field.J U niv Sci Technol Beijing , 2007, 14( 5) :460 [ 2] Tjong S C, Ma Z Y .Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites.Mater Sci Eng R, 2000, 29:49 [ 3] Yu P, Mei Z S, Tjong C .Structu re, thermal and mechanical properties of in situ Al-based met al matri x composite reinf orced with Al2O3 and TiC submicron particles.Ma ter Chem Phys, 2005, 93:109 [ 4] Tjong S C, Wang G S, Mai Y W.High cycle f atigue response of in situ Al-based composit es containing TiB2 and Al2O3 submicron parti cles.Compos S ci Technol, 2005, 65:1537 [ 5] Chen L G, Lin S J, Chang S Y.T ensile properties and thermal expansion behaviors of continuous molybdenum fiber reinf orced aluminum matrix com posites.Compos Sci Technol, 2006, 66 ( 11/ 12) :1793 [ 6] Rohat gi P K, Gupt a N, Alaraj S.T hermal expansion of alu￾minum-fly ash cenosphere composit es synthesized by pressu re in￾filtration technique .J Compos Mater, 2006, 40( 13) :1163 [ 7] Tjong S C, Tam K F .Mechanical and thermal expansion behavior of hipped aluminum-TiB2 composit es.Ma ter Chem Phys, 2006, 97( 1) :91 [ 8] Fei W D, Wang L D.Thermal expansion behavior and thermal mismat ch stress of aluminum matrix composite reinf orced by bet a￾eucryptite particle and aluminum borat e w hisker .Mater Chem Phys, 2004, 85( 2/ 3) :450 [ 9] Chaw la N, Deng X, Schnell D R M .T hermal expansion anisotropy in extruded SiC parti cle reinf orced 2080 aluminum alloy matrix composites.Mater Sci Eng A , 2006, 426( 1/ 2) :314 [ 10] Li G R, Zhao Y T, Dai Q X, et al.Fabrication and properties of in situ synthesized particles reinf orced aluminum matrix compos￾ites of Al-Zr-O-B system .J Mater Sci, 2007, 42( 14) :5442 [ 11] Xu Q Y, Chen Y Y, Li Q C .Fabrication and heat expansion propert y of aluminum alloy and slat com posite .J Compos, 1999, 16( 2) :77 ( 许庆彦, 陈玉勇, 李庆春.铝合金-盐复合体的制备及热膨 胀性能研究.复合材料学报, 1999, 16( 2) :77) [ 12] Tian R Z, Wang Z T .Alu min um A lloy and Process Man ual . 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