材料导报:综述篇2010年3月(上)第24卷第3期 性能 个蠕变过程中的应力应变场的变化,同时又能模拟MMC在 2.4双剪切法蠕变试验 真实试验条件下所发生的蠕变形为,具有试验方法和理论解 双剪切法是近年来发展的一种比较复杂的蠕变试验方析无与伦比的优势,因此也是现行研究MMC时采用较多的 法。岳珠峰等研究了双剪切试样用于短纤维金属基复合一种方法 材料蠕变响应研究的可行性(图3所示为双剪切试样尺寸),3.1单胞模型 指出双剪切试样的蠕变响应与材料的各向异性有关。详细 单胞模型简单,对纤维增强MMC来说,这种单胞模型 的应力分析表明,双剪切试样在受剪区域能提供稳定的应力意味着纤维理想也定长、均匀和周期地分布在基体中。因 状态,该应力接近于施加应力的平均值,并与试样的取向及此,整个MMC的性能可由该单胞模型(含18纤维和相应 材料的各向异性不相关,即双剪切试样可以为MMC提供一的基体)进行描述。岳珠峰等利用单胞模型有限元方法研 简单的复杂应力,可以利用双剪切实验结果来推得MMC蠕究了热处理制度对金属基短纤维复合材料蠕变性能的影响 变性能和各向异性参数,还可以用双剪切实验来确定那些很如图4所示给出单胞模型,中心为1/8纤维。该单胞模型能 难用拉伸和单向压缩实验确定的各向异性材料的参数 唯一地由∥L、dD、yD表示。这些参数可由纤维体积分 数来确定。根据试件取向,单轴应力方向位于XOZ平面内 即位于纤维分布平面,加载方向由6角表示。利用 ABAQUS 程序就可以进行有限元计算,计算结果表明,尽管单胞模型 有其自身的局限性,但是单胞模型能揭示热处理影响机理的 主要方面。 图3双剪切试样的几何尺寸 Fig 3 Geometry unit in mm of the double shear creep specimen 2.5声发射法蠕变试验 声发射检测(简称AE)具有实时、连续监测的特点,能反 映出声发射源在载荷作用下的动态响应特性。大量研究表 图4单胞模型 明,尽管复合材料的损伤形式具有各自不同的复杂性,但是 Fig 4 Unit cel 发生发展时都有明显的声发射特征,而且声发射对于损伤过3.2统计模型 程的分析非常有效。 M Surgeon等对S/BMAS复合材 上述单胞模型仅能给出特殊情况而不能给出纤维随机 料层合板在拉伸作用下的损伤作了AE研究利用AE事件分布的一般情况下MMC的蠕变响应,得到的数据与试验结 数幅值、能量以及持续时间等参数,对应加载曲线描述不同果有时差距很大。 Dragone提出了一种纤维网络模型 铺层的试件损伤演化模式和破坏机理。 Bakyckas j g等凵}这种模型改变了沿用已久的单胞、双胞、三胞等规则模型,考 通过对钛基复合材料损伤过程的声发射研究,揭示了几种主虑了纤维的取向分布、由层叠引起的纤维之间的相互作用以 要的损伤形式发生时对应的AE事件幅度。方鹏等利用及纤维的随机性分布影响。Pyrz引入统计思想建立了细观 声发射技术对cSiC复合材料高温蠕变试验过程进行了动模型之后,使增强体随机分布MMC的数值模拟成为可 态监测,通过声发射参数分析法对蠕变过程中的声发射累计能。岳珠峰认为,从得到稳定蠕变率与纤维的几何尺寸、 能量随蠕变时间变化进行了分析,揭示了SiC复合材料蠕外载及外载方向的定量关系可以建立随机统计模型。纤维 变损伤的演化过程及规律。 的断裂必须考虑在随机统计模型中选参数∥L、dD、y/D和 3有限元分析 θ作基本随机变量,假设蠕变率可以分离式(5) ,=fi(lL)f2(d D)f3(y/D)f4(9f(m (5) 蠕变理论模型存在自身的缺陷,不能精确描述MMC的式中:f1∥D)√2(dD、f3(yD和f4(9代表参数∥L、d 应力应变场,对于纤维呈随机分布的MMC简直不可能描述D、y/D和θ对稳定蠕变的影响,f(m)为基体蠕变响应。可 其蠕变损伤的演化过程。尽管通过蠕变试验可以比较真实以得到上述参数的均值及其密度函数,由此可算出统计模型 地揭示MMC的一些蠕变规律,但是蠕变试验过程长,成本结果。岳珠峰用试验结果与其比较,发现该统计模型可以 相对高,在长时间的试验过程中可能会有一些不可估计的因很好地模拟试验结果 素影响试验结果,而且不能动态地说明那些因素是如何影响 MMC蠕变过程的。近年来随着计算机的发展,促进了有限 4展望 元技术的应用。有限元模拟较理论模型准确,更容易得到整 近年来,我国在金属基复合材料蠕变性能方面取得了一 201994-2010CHinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net性能。 2. 4 双剪切法蠕变试验 双剪切法是近年来发展的一种比较复杂的蠕变试验方 法。岳珠峰等[ 20 ]研究了双剪切试样用于短纤维金属基复合 材料蠕变响应研究的可行性(图 3 所示为双剪切试样尺寸) , 指出双剪切试样的蠕变响应与材料的各向异性有关。详细 的应力分析表明 ,双剪切试样在受剪区域能提供稳定的应力 状态 ,该应力接近于施加应力的平均值 ,并与试样的取向及 材料的各向异性不相关 ,即双剪切试样可以为 MMC 提供一 简单的复杂应力 ,可以利用双剪切实验结果来推得 MMC 蠕 变性能和各向异性参数 ,还可以用双剪切实验来确定那些很 难用拉伸和单向压缩实验确定的各向异性材料的参数。 图 3 双剪切试样的几何尺寸[ 20] Fig. 3 Geometry unit in mm of the double shear creep specimen [ 20] 2. 5 声发射法蠕变试验 声发射检测(简称 A E) 具有实时、连续监测的特点 ,能反 映出声发射源在载荷作用下的动态响应特性。大量研究表 明 ,尽管复合材料的损伤形式具有各自不同的复杂性 ,但是 发生发展时都有明显的声发射特征 ,而且声发射对于损伤过 程的分析非常有效。M Surgeon 等[ 21 ] 对 SiC/ BMAS 复合材 料层合板在拉伸作用下的损伤作了 A E 研究 ,利用 A E 事件 数、幅值、能量以及持续时间等参数 ,对应加载曲线描述不同 铺层的试件损伤演化模式和破坏机理。Bakvckas J G 等[ 22 ] 通过对钛基复合材料损伤过程的声发射研究 ,揭示了几种主 要的损伤形式发生时对应的 A E 事件幅度。方鹏等[ 23 ] 利用 声发射技术对 C/ SiC 复合材料高温蠕变试验过程进行了动 态监测 ,通过声发射参数分析法对蠕变过程中的声发射累计 能量随蠕变时间变化进行了分析 ,揭示了 C/ SiC 复合材料蠕 变损伤的演化过程及规律。 3 有限元分析 蠕变理论模型存在自身的缺陷 ,不能精确描述 MMC 的 应力应变场 ,对于纤维呈随机分布的 MMC ,简直不可能描述 其蠕变损伤的演化过程。尽管通过蠕变试验可以比较真实 地揭示 MMC 的一些蠕变规律 ,但是蠕变试验过程长 ,成本 相对高 ,在长时间的试验过程中可能会有一些不可估计的因 素影响试验结果 ,而且不能动态地说明那些因素是如何影响 MMC 蠕变过程的。近年来随着计算机的发展 ,促进了有限 元技术的应用。有限元模拟较理论模型准确 ,更容易得到整 个蠕变过程中的应力应变场的变化 ,同时又能模拟 MMC 在 真实试验条件下所发生的蠕变形为 ,具有试验方法和理论解 析无与伦比的优势 ,因此也是现行研究 MMC 时采用较多的 一种方法。 3. 1 单胞模型 单胞模型简单 ,对纤维增强 MMC 来说 ,这种单胞模型 意味着纤维理想也定长、均匀和周期地分布在基体中。因 此 ,整个 MMC 的性能可由该单胞模型 (含 1/ 8 纤维和相应 的基体) 进行描述。岳珠峰等[ 24 ]利用单胞模型有限元方法研 究了热处理制度对金属基短纤维复合材料蠕变性能的影响。 如图 4 所示给出单胞模型 ,中心为 1/ 8 纤维。该单胞模型能 唯一地由 l/ L 、d/ D 、y/ D 表示。这些参数可由纤维体积分 数来确定。根据试件取向 ,单轴应力方向位于 XO Z 平面内 , 即位于纤维分布平面 ,加载方向由θ角表示。利用 ABAQUS 程序就可以进行有限元计算 ,计算结果表明 ,尽管单胞模型 有其自身的局限性 ,但是单胞模型能揭示热处理影响机理的 主要方面。 图 4 单胞模型[ 24] Fig. 4 Unit cell model [ 24] 3. 2 统计模型 上述单胞模型仅能给出特殊情况而不能给出纤维随机 分布的一般情况下 MMC 的蠕变响应 ,得到的数据与试验结 果有时差距很大。Dragone 提出了一种纤维网络模型[ 25 ] 。 这种模型改变了沿用已久的单胞、双胞、三胞等规则模型 ,考 虑了纤维的取向分布、由层叠引起的纤维之间的相互作用以 及纤维的随机性分布影响。Pyrz 引入统计思想建立了细观 模型之后[ 26 ] ,使增强体随机分布 MMC 的数值模拟成为可 能。岳珠峰[ 27认为 ,从得到稳定蠕变率与纤维的几何尺寸、 外载及外载方向的定量关系可以建立随机统计模型。纤维 的断裂必须考虑在随机统计模型中选参数 l/ L 、d/ D、y/ D 和 θ作基本随机变量 ,假设蠕变率可以分离式(5) : εÛs = f 1 ( l/ L) f 2 ( d/ D) f 3 ( y/ D) f 4 (θ) f ( m) (5) 式中 : f 1 ( l/ L) 、f 2 ( d/ D) 、f 3 ( y/ D) 和 f 4 (θ) 代表参数 l/ L 、d/ D、y/ D 和θ对稳定蠕变的影响 , f ( m) 为基体蠕变响应。可 以得到上述参数的均值及其密度函数 ,由此可算出统计模型 结果。岳珠峰[ 27 ]用试验结果与其比较 ,发现该统计模型可以 很好地模拟试验结果。 4 展望 近年来 ,我国在金属基复合材料蠕变性能方面取得了一 ·122 · 材料导报 :综述篇 2010 年 3 月(上) 第 24 卷第 3 期