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 ·