金属基复合材料蠕变性能的研究现状和展望/田君等 119 金属基复合材料蠕变性能的研究现状和展望 田君12,李文芳,韩立发2,彭继华 (1华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640;2东莞理工学院机械工程学院,东莞523808) 摘要综述了国内外金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究进展。重点分析了蠕变理论研究中的3种理 论模型的特点,指出理论硏究的核心问题是位错越过第二相的机制以及门槛应力的来源。详述了目前蠕变实验研究 的各种实验方法与特点。讨论了利用计算机有限元分析来进行蠕变研究的优点。针对目前我国金属基复合材料的 抗高温蠕变性能的研究方法提出了一些看法和展望 关键词金属基复合材料位错门槛应力蠕变 Research and development of Creep of Metal Matrix Composites TIAN Jun2, LI Wenfang, HAN Lifa, PEN GJihua (1 College of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, 2 College of Mechanical Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808) Abstract Research development on high temperature creep of metal matrix composites at home and abroad are summarized. The three theoretical models of the creep theory studies are focused on analyzing, and the core issue of theoretical studies is a mechanism of the dislocation over the second phase and the threshold stress sources. Characte ristics of various experimental methods of the current creep experimental studies are reco unted. Advantages of the mputer finite element analysis in creep studies are discussed. The research trends and development on high tempera- ture creep of metal matrix composites in China are presented Key words metal matrix composites, dislocation, threshold stress, creep 在能源、石油化工和航空航天等工业装置中,很多构件出发,近年来,国内外学者对MMC的宏观性能与细观结构 需在高温下工作。如火力发电的蒸汽温度可达到570℃,飞性能进行了大量研究,并取得了相当丰富的研究成果。从蠕 机涡轮叶片的工作温度高达1000℃以上,制氢转化和乙烯裂变研究方法上讲,按其发展过程大体可分为3类:第一类是 解温度分别达到950℃和1050℃。对这类装置材料最重要理论研究,建立理论模型;第二类是蠕变试验研究;第三类是 的性能要求是高温强度,然而常规材料无法满足高温强度结合试验数据建立有限元计算模型,进行计算机模拟 性能,只有新型的高温结构材料才能胜任,如金属间化合物、 陶瓷、聚合物、复合材料等。在这些高温结构材料中,只有金 1理论研究 属基复合材料(MMC)才具有比强度和比刚度高、导热导电 MMC蠕变一般有以下共同特征 性好阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优 (1)蠕变速度比相同条件下没有强化的基体合金小得 点,在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其多,第二相强化显著地提高蠕变抗力,且第二相体积分数、尺 重要的应用价值和广阔的应用前景,被誉为“21世纪绿色工寸、在基体中的分布以及结合界面等都会影响强化作用 程材料2。 (2)蠕变速率与应力关系仍可用E表示,而应力指数 MMC的高温强度性能是指材料对高温变形与断裂的抗 般为7~8,甚至达到10~40 力。它们长期在高温并受一定载荷的环境下工作,会发生缓 (3)蠕变激活能远大于基体的自扩散激活能。 慢的塑性变形,也就是我们常说的蠕变。研究其蠕变性能是 (4)存在门槛应力,外加应力低于门槛应力时MMC不 设计MMC材料高温环境工作的关键。MMC的蠕变性能与发生蠕变。门槛应力值一般是 Oro wan应力的1/2左右 下列因素相关:基体的蠕变性能,增强体的弹性和断裂特性 至今还没有一种蠕变理论对上述所有的蠕变特征给出 增强体的尺寸参数、分布以及增强体与基体界面性能等。满意的解释。迄今研究的核心问题是位错越过第二相的机 也就是需要了解MMC材料的宏观性能与其细观结构和组制以及门槛应力的来源。由于MMC强化有粒子强化、晶须 成之间的关系,因此需要建立这两者关系模型。从这一实际强化及纤维强化,为便于说明,不妨以粒子强化为例,围绕核 *东莞市高等院校科技计划项目(2008108101028);广东省金属新材料成型制备重点实验室开放基金资助项目(200800 田君:1968年生,副教授,博士研究生ma:841608534@qq,com李文芳:通讯作者,1964年生,教授,博导 Email:mewi@ scut eau. cn o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net金属基复合材料蠕变性能的研究现状和展望3 田 君1 ,2 ,李文芳1 ,韩立发2 ,彭继华1 (1 华南理工大学材料科学与工程学院 ,广州 510640 ;2 东莞理工学院机械工程学院 ,东莞 523808) 摘要 综述了国内外金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究进展。重点分析了蠕变理论研究中的 3 种理 论模型的特点 ,指出理论研究的核心问题是位错越过第二相的机制以及门槛应力的来源。详述了目前蠕变实验研究 的各种实验方法与特点。讨论了利用计算机有限元分析来进行蠕变研究的优点。针对目前我国金属基复合材料的 抗高温蠕变性能的研究方法提出了一些看法和展望。 关键词 金属基复合材料 位错 门槛应力 蠕变 Research and Development of Creep of Metal Matrix Composites TIAN J un 1 ,2 , L I Wenfang 1 , HAN Lifa 2 , PEN G Jihua 1 (1 College of Materials Science and Engineering , South China University of Technology , Guangzhou 510640 ;2 College of Mechanical Engineering , Dongguan University of Technology , Dongguan 523808) Abstract Research development on high temperature creep of metal matrix composites at home and abroad are summarized. The three theoretical models of the creep theory studies are focused on analyzing , and the core issue of theoretical studies is a mechanism of the dislocation over the second phase and the threshold stress sources. Characte2 ristics of various experimental methods of the current creep experimental studies are recounted. Advantages of the computer finite element analysis in creep studies are discussed. The research trends and development on high tempera2 ture creep of metal matrix composites in China are presented. Key words metal matrix composites , dislocation , threshold stress , creep 3 东莞市高等院校科技计划项目(2008108101028) ;广东省金属新材料成型制备重点实验室开放基金资助项目(2008001) 田君 :1968 年生 ,副教授 ,博士研究生 E2mail :841608534 @qq. com 李文芳 :通讯作者 ,1964 年生 ,教授 ,博导 E2mail :mewfli @ scut. edu. cn 在能源、石油化工和航空航天等工业装置中 ,很多构件 需在高温下工作。如火力发电的蒸汽温度可达到 570 ℃,飞 机涡轮叶片的工作温度高达 1000 ℃以上 ,制氢转化和乙烯裂 解温度分别达到 950 ℃和 1050 ℃。对这类装置材料最重要 的性能要求是高温强度[ 1 ] ,然而常规材料无法满足高温强度 性能 ,只有新型的高温结构材料才能胜任 ,如金属间化合物、 陶瓷、聚合物、复合材料等。在这些高温结构材料中 ,只有金 属基复合材料(MMC) 才具有比强度和比刚度高、导热导电 性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优 点 ,在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其 重要的应用价值和广阔的应用前景 ,被誉为“21 世纪绿色工 程材料”[ 2 ] 。 MMC 的高温强度性能是指材料对高温变形与断裂的抗 力。它们长期在高温并受一定载荷的环境下工作 ,会发生缓 慢的塑性变形 ,也就是我们常说的蠕变。研究其蠕变性能是 设计 MMC 材料高温环境工作的关键。MMC 的蠕变性能与 下列因素相关 :基体的蠕变性能 ,增强体的弹性和断裂特性 , 增强体的尺寸参数、分布以及增强体与基体界面性能等[ 3 - 6 ] 。 也就是需要了解 MMC 材料的宏观性能与其细观结构和组 成之间的关系 ,因此需要建立这两者关系模型。从这一实际 出发 ,近年来 ,国内外学者对 MMC 的宏观性能与细观结构 性能进行了大量研究 ,并取得了相当丰富的研究成果。从蠕 变研究方法上讲 ,按其发展过程大体可分为 3 类 :第一类是 理论研究 ,建立理论模型 ;第二类是蠕变试验研究 ;第三类是 结合试验数据建立有限元计算模型 ,进行计算机模拟。 1 理论研究 MMC 蠕变一般有以下共同特征 : (1) 蠕变速度比相同条件下没有强化的基体合金小得 多 ,第二相强化显著地提高蠕变抗力 ,且第二相体积分数、尺 寸、在基体中的分布以及结合界面等都会影响强化作用。 (2) 蠕变速率与应力关系仍可用ε€∝σn 表示 ,而应力指数 n 一般为 7～8 ,甚至达到 10～40。 (3) 蠕变激活能远大于基体的自扩散激活能。 (4) 存在门槛应力 ,外加应力低于门槛应力时 MMC 不 发生蠕变。门槛应力值一般是 Orowan 应力的 1/ 2 左右。 至今还没有一种蠕变理论对上述所有的蠕变特征给出 满意的解释。迄今研究的核心问题是位错越过第二相的机 制以及门槛应力的来源。由于 MMC 强化有粒子强化、晶须 强化及纤维强化 ,为便于说明 ,不妨以粒子强化为例 ,围绕核 金属基复合材料蠕变性能的研究现状和展望/ 田 君等 ·119 ·