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 ·