（材料学专业论文）晶须增强铝复合材料残余应力及钢材锈层残余应力.pdf

上海交通大学博士后姜传海研究报告 摘要 摘要 利用x 射线衍射技术，动态研究了s i c 、a 1 复合材料中的热残余应力及其变化 规律。通过理论分析和试验测量，研究t a l 。b 。o ，。，a i 复合材料热残余应力的调 整途径，同时对复合材料强化效应也进行了一定的探讨。研究了钢材锈层物相结 构及锈层残余应力，尝试从力学角度认识钢的大气腐蚀过程及机理。 铸态2 0 v o l s i c 、6 0 6 1 a l 复合材料自高温冷却至室温的过程中，基体热应力 逐渐增大，但当温度低于1 5 0 时应力值趋于稳定。在高温状态下复合材料热残 余应力按幂指数方式松弛，其应力指数及激活能均高于未增强合金。挤压态 2 0 v 0 1 s i c ：j 6 0 6 1 a 1 复合材料中存在较大宏观残余应力，在高温状态下宏观残余 应力也按幂指数方式松弛，应力指数及激活能明显高于未增强合金。 热循环对2 0 v 0 1 s i c , , 6 0 6 1 a i 复合材料尺寸稳定性及残余应力的影响，主要 与晶须取向有关。铸态复合材料中晶须为混乱取向，热循环后试样尺寸及残余应 力变化不大。挤压态复合材料中晶须为定向排列，热循环后试样沿晶须排列方向 尺寸增大及残余应力降低，同时垂直晶须排列方向尺寸减小及残余应力升高。 振动时效可有效降低2 0 v 0 1 s i c j 6 0 6 1 a i 复合材料中的热残余应力，同时改 善材料的拉伸强度。随着循环上限应力的增大热残余应力呈单调下降的趋势，但 复合材料拉伸强度与循环上限应力之间并非是单调关系，只有选择适当的循环上 限应力才可以获得最高的拉伸强度。 低温处理及预变形均可以调整铸态2 5 v 0 1 a 1 。出。o 。6 0 6 1 a 1 复合材料中的热 残余应力。通过低温处理及预变形，使基体局部发生一定错配拉伸塑性应变，同 时晶须保持弹性应变状态，最终造成两相间错配应变即热残余应力降低。经低温 处理及预变形后，复合材料拉伸屈服强度得到改善。 当对挤压态2 5 v 0 1 a l ，。b 。o ，d 6 0 6 1 a l 复合材料施加拉伸载荷时，基体承载应 力仅为外载应力的5 8 3 ，晶须平均应力是外载应力的2 2 5 ，晶须端部应力是外 载应力的1 5 9 。试验确定出复合材料中基体应力与应变的关系，发现复合材料 基体屈服强度及加工硬化系数明显高于未增强合金。 铸态2 5 v 0 1 a l ，。b 。o 。6 0 6 1 a 1 复合材料经喷丸处理后，试样表层基体呈现出 较大的残余压应力状态，x 射线衍射线峰的半高宽度明显增大。喷丸处理可造成 复合材料基体表层强度明显增高，主要与表层基体的亚晶粒细化、点阵畸变和位 错密度增高等有关。 普通碳钢锈层疏松并存在较多的空洞和裂纹，而耐候钢锈层致密即空洞和裂 纹数量较少。碳钢与锈层之间界面凸凹不平即存在较多的深腐蚀坑，而耐候钢界 上海交通大学博士后姜传海研究报告摘要 面则相对平整。对于我国典型四个地区放置1 年后的碳钢及耐候钢，其锈层主要 为y f e o o h 及少量口f e o o h $ i i 。各地区钢材锈层的物相结构比较接近，而且内 外锈层差别不明显。 钢材表面凹凸不平将导致锈层应力的分布不均匀，在腐蚀坑腰部附近存在锈 层应力集中，容易导致锈层破裂。使用侧倾法、内标法及多点抛物线定峰法，可 以有效提高锈层残余应力的测量精度。锈层残余应力直接与其所能承受的应力水 乎有关，而且受锈层形态及致密度的影响。耐候钢锈层残余应力明显高于普通碳 钢，证实了耐候钢锈层具有较高强度的事实。j o 、一 。 ， 关键词：晶须增强铝复合材料，残余应力，强化效应，钢材，锈层应力， x 射线衍射 1 ， 一i i 上海交通大学博士后姜传海研究报告 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e r m a lr e s i d u a ls t r e s sa n di t sv a r i a t i o nf o rt h es i c f f a lc o m p o s i t ew e r ed y n a m i c a l l ys t u d i e db yu s i n gt h ex r a yd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e b ym e a n s o ft h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a l p r a c t i c e ，t h ea d j u s t i n g m e t h o do ft h e r m a lr e s i d u a ls t r e s sf o rt h e a l l8 8 4 0 ”j a lc o m p o s i t ew a si n v e s t i g a t e d ，m e a n w h i l et h es t r e n g t h e n i n ge f f e c tw a sa l s o e x p l o r e d t h ep h a s es t r u c t u r ea n d t h er e s i d u a ls t r e s so f t h er u s tl a y e ro ns t e e lw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ec o r r o s i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mf o rs t e e li na t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t b e e nu n d e r s t o o di nt h ev i e wo fm e c h a n i c s d u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s so f t h ea s c a s t2 0 v 0 1 s i c f f 6 0 61a 1c o m p o s i t ef r o mh i 曲 t e m p e r a t u r e t or o o m t e m p e r a t u r e ，t h et h e r m a ls t r e s si nt h em a t r i xi n c r e a s e dg r a d u a l l y ，b u t i tr e a c h e dac o n s t a n tw h e nt h et e m p e r a t u r ea r o u n d15 0 t h er e l a x a t i o no ft h e r m a l r e s i d u a ls t r e s sc o u l db ed e s c r i b e di naf o r mo ft h ep o w e rl a w w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h e s t r e s se x p o n e n ta n da c t i v a t i o ne n e r g ya r eh i g h e rt h a nt h o s eo ft h eu n r e i n f o r c e da l l o y a h i g hm a c r o - r e s i d u a ls t r e s se x i s t e di nt h ea s e x t r u d e d2 0 v 0 1 s i c f f 6 0 6 1 a 1c o m p o s i t e ，a n d i t sr e l a x a t i o na l s oo b e y st h e p o w e r l a wa th i g ht e m p e r a t u r e ，s h o w i n gt h a tt h es t r e s se x p o n e n ta n da c t i v a t i o ne n e r g ya r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h o s eo f t h eu n r e i n f o r c e da l l o y t h ee f f e c t so ft h e r m a lc y c l eo nt h ed i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n dt h e r m a lr e s i d u a ls t r e s s o f t h e2 0 v 0 1 s i c j 6 0 6 1 a 1c o m p o s i t ea r em a i n l yr e l a t e dt ot h ew h i s k e ro r i e n t a t i o ni nt h e m a t e r i a l d u et ot h ew h i s k e r so r i e n t e dr a n d o m l yi nt h ea s c a s tc o m p o s i t e t h et h e r m a l c y c l ec a nh a r d l ya f f e c tt h ed i m e n s i o na n dr e s i d u a ls t r e s s h o w e v e r ，d u et ot h ew h i s k e r s a l i g n e di nt h ea s - e x t r u d e dc o m p o s i t e ，t h ed i m e n s i o nw o u l db ee l o n g a t e da n dr e s i d u a l s t r e s sd e c r e a s e da tt h i sd i r e c t i o n ，w h i l et h ed i m e n s i o nw o u l db es h o r t e n e da n dr e s i d u a l s t r e s si n c r e a s e da ti t sp e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n t h em e t h o d o f v i b r a t i n gs t r e s sr e l a x a t i o nc a ne f f e c t i v e l yr e l i e v et h et h e r m a lr e s i d u a l s t r e s so ft h e2 0 v 0 1 s i c f f 6 0 6 1 a 1 c o m p o s i t e ，w h i c hl e a d t oa ni n c r e m e n ti nt e n s i l e s t r e n g t ho fm a t e r i a l w i t ht 1 1 ei n c r e a s eo fm a x i m u mc y c l i n gs t r e s s t h et h e r m a lr e s i d u a l s t r e s so f c o m p o s i t ed e c r e a s e dm o n o t o n o u s l yh o w e v e r , t h et e n s i l es t r e n g t ho f c o m p o s i t e d i dn o tc h a n g em o n o t o n o u s l yw i t ht h em a x i m u m c y c l i n gs t r e s s ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t h o fc o m p o s i t ec a nr e a c ht h eh i g h e s tl e v e lw h e nap r o p e rv a l u eo ft h em a x i m u m c y c l i n g s t r e s sw a s a p p l i e d t h et h e r m a lr e s i d u a ls t r e s so f t h ea s c a s t2 5 v 0 1 a 1 1 8 8 4 0 ”f f 6 0 6 1 a 1 c o m p o s i t ec o u l d b ea d j u s t e db yb o t hl o w t e m p e r a t u r et r e a t m e n ta n dp r e d e f o r m a t i o n d u r i n gt h ep r o c e s s o fl o wt e m p e r a t u r et r e a t m e n ta n dp r e d e f o r m a t i o n ，ac e r t a i nt e n s i l em i s m a t c hp l a s t i c 一i i l ， 上海交通大学博士后姜传海研究报告 a b s t r a c t s t r a i nw o u l dt a k ep l a c ei n1 0 c a la r e ao fm a t r i x m e a n w h i l et h ew h i s k e r i ss t i l l i nt h ee l a s t i c s t a t e c o n s e q u e n t l y ，t h et h e r m a lr e s i d u a l s t r e s sc a nb er e c d u c e d ，a n dt h et e n s i l ey i e l d s t r e n g t ho f c o m p o s i t e b ec e r t a i n l yi m p r o v e d w h e nat e n s i l el o a d i n gw a s a p p l i e dt ot h e2 5 v 0 1 a 1 1 8 8 4 0 3 ，, , 6 0 6 1 a 1c o m p o s i t e ，t h e b e a r i n gs t r e s si nm a t r i xi s5 8 1 3 o f t h ea p p l i e ds t r e s s t h ea v e r a g es t r e s si nw h i s k e ri s 2 2 5 a n dt h es t r e s sa tw h i s k e re n d si s15 9 o f a p p l i e ds t r e s s t h er e l a t i o nb e t w e e n m a - t r i xs t r e s sa n ds t r a i nw a sd e t e r m i n e d ，a n di tw a sf o u n dt h a tt h ey i e l ds t r e n g t ha n dw o r k h a r d e n i n ge x p o n e n t o f m a t r i xa r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h o s eo f u n r e i n f o r c e da l l o y a f t e rp e e n i n gt r e a t m e n tf o rt h ea s - c a s t2 5 v 0 1 a l l 8 8 4 0 ”, , 6 0 6 1 a ic o m p o s i t e ，ah i g h c o m p r e s s i v er e s i d u a l s t r e s sw a sp r o d u c e di nm a t r i xn e a rt h es p e c i m e ns u r f a c e ，a n dt h e h a l fv a l u eb r e a d t ho fx - r a yd i f f r a c t i o np r o f i l ei n c r e a s e de v i d e n t l y t h em a t r i xs t r e n g t h n e a rt h es u r f a c eo f c o m p o s i t ew a sg r e a t l yi n c r e a s e db yt h ep e e n i n gt r e a t m e n t ，w h i c hi s m a i n l yd u e t ot h er e f i n e ds u b g r a i n ，l a t t i c ed i s t o r t i o na n dh i g hd i s l o c a t i o nd e n s i t yf o r m e d i nm a t r i xo f c o m p o s i t e t h e r ea r em a n yc a v i t i e sa n dc r a c k si nt h er u s tl a y e ro nt h es u r f a c eo ft h ec o m m o n c a r b o ns t e e l ，b u tt h e r ea r ef e wo ft h e mf o rt h ew e a t h e r i n gs t e e l t h ei n t e r f a c eb e t w e e n r u s tl a y e ra n dm a t r i xi sq u i t er o u g ha n ds o m e d e e pe t c hp i t sa r ed e t e c t e do n t h es u r f a c eo f t h ec a r b o ns t e e l ，b u tt h ei n t e r f a c eo fw e a t h e r i n gs t e e li sm u c hs m o o t h t h em s tl a y e r c o n t a i n sap l e n t yo fy f e o o hp h a s ea n das m a l la m o u n to f 口一f e o o hp h a s ef o rm e c a r b o ns t e e la n dw e a t h e r i n gs t e e le x p o s e da tf o u rt y p i c a la r e a so fo u rc o u n t r yf o r1 y e a r t h e p h a s es t r u c t u r eo f r u s tl a y e ra r er a t h e rs i m i l a rf o rt h es t e e l se x p o s e da tv a r i o u sa r e a ， a n dt h ep h a s es t r u c t u r eo f i n n e rr u s tl a y e ri sq u i t ec l o s et ot h a to f o u t e rr u s tl a y e r t h eu n i f o r ms t r e s s e si nt h er u s tl a y e rd u et ot h er o u g hs u r f a c eo f s t e e l ，c a u s e st h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o nn e a rt h eh i l l s i d eo f e t c hp i t ，a n dw i l ll e a dt of r a c t u r eo f t h er u s tl a y e r u s i n gt h em e t h o d o fs i d et i l t ，i n t e r n a ls t a n d a r dc a l i b r a t i o na n d p a r a b o l a t od e t e r m i n et h e p e a kl o c a t i o n ，t h em e a s t t r e m e n te r r o rf o rs t r e s so f r u s tl a y e rc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e d t h er e s i d u a ls t r e s so fr u s tl a y e ri sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ec a p a c i t yo f b e a r i n gs t r e s so f r u s t l a y e r ，a n dw o u l d b ea f f e c t e db yt h em o r p h o l o g ya n dc o m p a c t n e s so ft h er u s tl a y e r t h e r e s i d u a ls t r e s si nr u s tl a y e ro ft h ew e a t h e r i n gs t e e li se v i d e n t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h e c o m m o nc a r b o ns t e e l ，w h i c hi l l u s t r a t e st h a tt h er u s tl a y e ro f w e a t h e r i n gs t e e lh a sah i g h e r s t r e n g t h k e y w o r d s ：w h i s k e rr e i n f o r c e da ic o m p o s i t e ，r e s i d u a ls t r e s s ，s t r e n g t h e n i n ge f f e c t ，s t e e l ， s t r e s si nr u s tl a y e r ，x r a yd i f f r a c t i o n 一i v 上海交通大学博士后姜传海研究报告 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术的进步，对材料性能的期望越来越高，传统金属材料已难以 满足这种要求。金属基复合材料作为一种新型材料，具有许多优良特性，可广泛 应用于航空及航天等工业领域 1 。5 】。由于基体与增强体之间存在热膨胀系数的显 著差异，在复合材料制备及热加工过程中不可避免地产生热残余应力肼_ 9 】，对材 料性能造成不良影响阳，1 0t 3 ，被认为是复合材料的固有缺陷。有关复合材料热残 余应力的研究，目前局限在静态分析或测量，而对残余应力变化规律及调整途径 方面尚需要深入探讨。复合材料最大特点在于其组织及性能的可设计性，强化机 制则是其强度设计的重要依据。晶须增强铝复合材料的优良性能，主要与其独特 的强化机制有关，强化途径至少可分为力学强化和基体强化两大类 1 4 。，一直 是复合材料研究领域的热点。有关复合材料强化机制的研究，大都要集中在理论 分析及数值计算，陆续建立出多种分析模型。到目前为止，复合材料的强化理论 已趋于成熟，只是相应的试验研究还有待丰富。 钢材在大气环境中普遍存在腐蚀现象，每年因大气腐蚀而损失的钢材是非 常惊人的。经过多年来的不懈研究，已在钢材大气腐蚀机理及防护措施等方面均 取得诸多有意义的成果。有关钢材大气腐蚀机理方面研究，大都集中在电化学方 面1 1 9 - 2 3 1 ，而忽略了锈层应力这一问题。实际上，由于锈层与钢材存在显著的比容 差异，锈层中必然存在较大的生长应力，对腐蚀进程肯定会起到重要的影响，但 目前很少有这方面研究的文献报道。 在中国博士后基金资助下，本博士后项目兼顾到科学性及工程实用性两个 方面，重点研究晶须增强铝复合材料热残余应力及其相关的问题，同时又抓住复 合材料强化机制这一关键，另外还对钢材锈层应力进行了必要的探讨。通过研究 复合材料热残余应力变化规律及其影响因素，有助于认识热残余应力的本质特 征。实现热残余应力的人为调整，目的在于改善复合材料的性能。研究复合材料 的强化效应，可以丰富现行的强化理论。分析并测量钢材锈层应力，有助于深入 探索钢材的大气腐蚀机理，进而改进钢材的防蚀措施。 1 2 金属基复合材料中的热残余应力 由于基体热膨胀系数明显大于增强体，复合材料由高温冷却至室温状态时基 体内产生热错配拉应力，同时增强体中产生压应力。热错配应力超过基体屈服强 上海交通大学博士后姜传海研究报告 第1 章绪论 度后，可引起塑性应变即发生应力松弛现象，部分热错配应力则被保留下来称之 为热残余应力。 1 2 1 热残余应力的产生与松弛 金属基复合材料产生热残余应力必须具备两个条件，即基体与增强体具有不 同热膨胀系数，并且要经历温度的变化。表i 1 给出常见复合材料中基体与增强 体的物理性能【2 4 】，表中大多数复合材料基体的热膨胀系数远大于增强体，这是产 生热残余应力的内因。在复合材料制造及后续热加工过程中，难免会发生较大温 差变化，温度变化是产生热残余应力的外部条件。 表1 1 部分基体合金与增强体的物理性f 0 2 j t a b 1 - 1p h y s i c a lp r o p e r t i e sf o rs o m em a t r i xa l l o y sa n dr e i n f o r c e m e n t s 材料 篙铲泊龇。m 极g m ，臀黹酽 a l7 003 32 79 3 32 3 6 m g 4 5 0 3 5 1 89 2 22 6 6 c ”1 1 70 3 48 91 3 5 61 7 o t i1 1 00 3 64 51 9 4 09 5 s i c4 5 00 1 73 24 0 a 1 2 0 3 4 3 00 2 43 82 3 1 37 7 t i b ，5 7 00 1 94 58 1 钨丝 4 0 5 0 2 9 1 9 33 6 6 04 5 金刚石 1 0 0 0 0 2 5 3 20 5 对于非连续增强金属基复合材料，常见的增强体种类包括颗粒、短纤维及 晶须等。尽管增强体形状存在差异，但复合材料产生热残余应力的实质相同。由 于球形颗粒具有空间对称性，其应力场最容易求得，通过该模型可以推测复合材 料热残余应力产生及其演变过程 8 - 9 , 2 5 - 2 6 l 。k i m 及l e e 等唧借助图1 1 球形模型，计 算复合材料中热残余应力，图中口是颗粒半径，b 是单元体半径。当冷却温差较 小时，两相之间只发生弹性错配，基体径向( 盯，) 及切向( 盯。= 仃) 应力分量为： 。 d3 ( 1 + v ，) 只 2 b3 ( 1 2 v ，) 鼻 f a l 。r 11 、 ”a 3 + 2 6 。+ y 。( 口，一4 b 3 ) ：币万；y 。万= ；孬l 刊 7 ：一 ! ：! ! ! 竺2 墨 + 垒：! ! 二! ! 竺! 墨 f 旦1 3 d3 + 2 b + v 。( 口3 4 b3 ) d 3 - i - 2 b3 + y 。( d 3 4 b 3 ) l ， 开：。i 竺生翌! 竺，一 。去卜卜，笔鼢 + 警 ( 1 2 ) ( 】一3 ) 上海交通大学博士后姜传海研究报告第1 章绪论 基体m i s e s 等效应力为 0 - 。= 1 0 9 式中了1 是温度差，o c 。及“。基体及增强体热膨胀系数，e 。及e 。是基体及增强体弹 性模量，v 。及v 。基体及增强体泊松比，只颗粒中水静应力。 图1 1 复合材料中颗粒填充方式及分析单元体例 f i g 1 - 1f o r mo f f i l l i n gs p a c ea n da n a l y t i c a lu n i tf o rt h ep a r t i c l er e i n f o r c e dc o m p o s i t e b u i l o u g h 及d a v i s l 2 ”基于球形对称模型，分析了复合材料降温过程中基体的 塑性流变方式。结果表明。基体塑性变形首先从界面( r = a ) 处开始，随着温度继 续降低，塑性流变逐渐向外扩展，直至整个基体发生塑性变形。两相热膨胀系数 差越大基体弹塑性区半径越大，复合材料降温温差越大弹塑性区半径也越大，基 体屈服强度越大则弹塑性区半径越小。 基体弹塑性区半径( t t r b ) 满足以下等式： l n f 旦1 。+ l 一里+ 里k , ( 3 k + 4 p r o ) ：! 丝! 鱼坠二竺型( 1 5 ) l t t b 3 4 a3 。( k 。一k 一) 2 p y ( k ，一k ，) 式中d 。及为基体及增强体热膨胀系数，丁为降温温差，k 。及匠为基体及增强 体的体弹性模量，m 及肼为基体及增强体剪切模量，p ，为基体屈服强度。 图1 2 是2 0 v 0 1 s i c a l 复合材料基体热错配弹性应变状态下( r = a ) 的应力 分布f 2 6 j 。图中可见，复合材料热残余应力属于短程内应力，界面r = a 处基体切 向应力( 盯。) 为最大拉应力，径向应力( 盯，) 为最大压应力，基体整体上承受拉应力 状态。基体等效应力( 盯酊) 与位置参数r a 成反立方关系，因此塑性流变起源于 界面附近，其中基体沿切向发生拉伸塑性流变，沿径向发生压缩塑性流变。 一 上海交通大学博士后姜传海研究报告 第1 章绪论 1 5 0 1 0 0 d5 0 曼 。 0 5 0 1 0 0 。 l = _ 一 l011i2l3 14 151617 tla 图1 - 22 0 v 0 1 s i c 。，a l 复合材料基体弹性应变状态下的应力( 口) 分布1 f i g 1 2d i s t r i b u t i o no f s t r e s s ( 口) i nm a t r i xo f t h e2 0 v o i s i c p ，a lc o m p o s i t e a tt h es t a t eo f e l a s t i c - s t r a i n 图1 3 是2 0 v 0 1 s i c r 力分布【2 6 】。图中表明，基体中应力分布已明显不同于弹性应变状态，界面( r a = 1 ) 附近基体中切向应力o o 很小，径向压应力盯，最大。界面附近基体呈现为平均 压应力，远离界面则为平均拉应力，基体整体上承受拉应力状态。此时基体径向 及切向应力差别分量较大，而且在整个r a 范围内基体中的等效应力均等于其屈 服强度( 10 0 m p a ) 。 1 5 0 1 0 0 d5 0 莹 。0 - 5 0 1 0 0 l011121314l5l617 r a 图1 - 32 0 v 0 1 s i c ：p a i 复合材料基体整体塑性应变时应力( 口) 分布1 2 6 i f i g 1 3 d i s t r i b u t i o no f s t r e s s ( 口) i nm a t r i xo f t h e2 0 v 0 1 s i c p a lc o m p o s i t e a tt h es t a t eo f f u l lp l a s t i c - s t r a i n 非连续增强金属基复合材料热残余应力的松弛，普遍认为是由基体位错通 过增强体冲孔来实现的 2 7 - 2 9 1 。t a y a 及m o r i 通过分析短纤维复合材料热应力松弛 - - 4 上海交通大学博士后姜传海研究报告 第l 章绪论 过程i z ”，认为纤维末端应力集中最大，位错冲孔沿纤维轴向进行。、，o g e l s a n g 及 a r s e n a u l t 等| 3 0 1 观察了s i c w a 1 复合材料中位错组态，发现室温状态下基体位错密 度高达1 0 ”m ，远高于未增强合金；当加热到8 0 0 k 时位错线基本消失；重新将 复合材料冷却到3 7 5 k 时，界面附近又出现明显的位错增殖现象。另外发现，未 增强合金经过热循环后位错密度降低了一个数量级，而热循环前后复合材料中基 体位错密度则变化不大。 复合材料热残余应力受两相热膨胀系数差、温度差、基体屈服强度、增强体 形状及分布、增强体的体积分数等因素影响f 6 - 9 ”3 9 1 。热膨胀系数差及温度差越大 则热残余应力越大，这已是众所周知的事实。复合材料基体中应力超过其屈服强 度后即发生塑性应变，因此热残余应力与基体屈服强度有关，基体屈服强度越高 则复合材料热残余应力越大。增强体尺寸及长径比对复合材料热残余应力的影响 主要与基体应力的松弛程度有关，当位错运动阻力较大时应力松弛程度减小即导 致热残余应力增大。t a y a 及d u n n 等【3 5 1 研究了s i c ，a i 复合材料中纤维长径比对 热残余应力的影响，发现纤维长径比越大则热残余应力越大，当纤维长径比超过 1 ：2 0 后，复合材料热残余应力随纤维长径比的变化不明显，说明此时为基体应 力松弛的l 临界状态。增强体分布对复合材料热残余应力也产生一定影响，t a y a 及d u n n 等i 还分析了增强体平面随机混乱分布状态下s i c ，a i 复合材料中热残 余应力，发现两种复合材料不同方向的热残余应力分量存在较大差别，但平均热 残余应力的差别并不明显。增强体的体积分数是影响复合材料热残余应力的主要 因素之一，增强体的体积分数越高则复合材料中的热残余应力就越大。 1 2 2 热残余应力对复合材料性能的影响 热残余应力主要影响复合材料的力学行为，包括变形过程、屈服强度、包申 格效应及拉压强度差等 6 , 1 0 - 1 2 , 4 0 。1 4 】。首先，热残余应力直接影响复合材料变形的初 始阶段，造成拉伸变形曲线在远低于其c r 0z 应力时便开始偏离线性关系，使复合 材料比例极限与基体合金接近。p r a n g n e l l 及d o w n e s 等1 4 0 】研究了1 7 v 0 1 s i c 8 0 9 0 a l 复合材料初始变形行为，发现未增强基体合金比例极限为2 0 0 m p a ，而复合材料 仅为18 2 m p a ，因此增强体的加入并未提高复合材料的比例极限。其次，热残余 应力直接影响复合材料的屈服及断裂强度。a r s e n a u l t 及t a y a 等【6 1 研究了s i c j a i 复 合材料拉伸及压缩变形行为，如图l 一4 所示，图中表明，材料压缩屈服强度明显 高于其拉伸屈服强度。由于基体中存在热残余拉应力，使得复合材料拉伸变形比 较容易，即导致拉伸屈服强度降低，而且基体热残余拉应力还具有阻碍复合材料 压缩变形的作用即造成压缩屈服强度升高，其最终结果是复合材料的压缩屈服强 度明显高于其拉伸屈服强度。 热残余应力还影响复合材料的尺寸稳定性 13 , 4 5 。1 6 i 。t a y a 及a r m s t r o n g 等【4 5 】考虑 到基体热应力所造成的塑性流变及蠕变效应，研究了1 5 v 0 1 s i c ，a 1 复合材料经 一5 一 上海交通大学博士后姜传海研究报告第1 章绪论 热循环后的尺寸变化；结果表明，当纤维定向排列时，热循环可导致复合材料沿 纤维方向伸长，同时垂直于纤维方向缩短。复合材料热循环过程中尺寸变化与基 体热应力的松弛效应有关。图1 5 给出基体应力变化规律的示意图m ”】，图中a 点 相当于复合材料初始状态，此时基体中存在较大热错配拉应力：在热循环升温阶 段a b c ，由于基体的热膨胀量大于增强体，基体中的拉应力逐渐减小直至 为零；温度继续升高基体则出现压应力，温度升至b 点时基体应力即达到其压缩 屈服强度；此后基体一直发生压缩塑性流变直至c 点；与此相反，热循环降温阶 段c d a 则对应基体“压应力降低一零应力一拉应力增大一拉应力屈服”的 过程。每进行一次热循环即造成一次基体压缩及拉伸塑性变形的过程，多次塑性 变形的积累则可能导致复合材料宏观尺寸的变化。 图1 - 42 0 v 0 1 s i c ：。a 1 复合材料的拉伸及压缩应力与应变曲线吲 f i g 1 - 4s t r e s sa n ds t r a i nc u r v e so f t e n s i o na n dc o m p r e s s i o nf o ra2 0 v 0 1 s i c j a lc o m p o s i t e i a ：i - ? 贰y i e l d - s t r e s s 一 t e m p e r 掣 ? 一一一! 、! ! 专一一一 y i e l d s f f e s s 图1 - 5 热循环过程中复合材料基体热应力随温度变化过程示意图 f i g 1 5d i a g r a m m a t i co f t h et h e r m a ls t r e s so f m a t r i xi nt h ec o m p o s i t e d u r i n gat h e r m a lc y c l i n gp r o c e s s 6 n*皇竽暑o 量千o1崔汕uz 上海交通大学博士后姜传海研究报告 第1 章绪论 1 2 3 热残余应力的分析与测量 热残余应力分析方法包括同心球体模型 g - 9 , 2 5 - 2 6 】、同心圆柱模型 5 1 - 5 3 】、e s h e l b y 模型。a 1 及有限元计算 7 , 5 7 - 5 9 i 等。同心球体模型假定增强体为球形，球体外包围一 球壳状基体，该体系具有空间球对称性，适于分析颗粒增强复合材料中热残余应 力。同心圆柱体模型假定增强纤维为圆柱体状，圆柱体外包围一圆筒状基体，该 体系具有空间轴对称性，适用于分析长纤维增强复合材料中热残余应力。利用 e s h e l b y 模型分析复合材料中热残余应力，可形象地用“切开”及“焊合”操作 方式来处理】，该模型缺点是需要烦琐的数学理论，不易掌握。复合材料热残余 应力是极为复杂的问题，有时很难通过解析方法精确求解，于是发展了一系列数 值解法，其中有限元计算是解决复合材料热残余应力及力学问题的成功方法。利 用有限元方法，不但能计算复合材料热残余应力随温度的变化过程，还可计算热 残余应力的微区分布状况，具有不可取代的优势。 热残余应力测量方法包括晶体衍射 6 0 - 6 7 】、同步x 射线能量色散 6 8 q 5 9 】、光谱分 析1 7 0 - 7 1 i 、热膨胀 7 2 - 7 3 】及会聚束电子衍射1 7 4 i 等。目前广泛采用应力测量方法是晶体 衍射b o x 射线衍射法和中子衍射法，两种方法试验原理基本相同。x 射线或中子 衍射角与晶面间距及辐射波长的关系遵循布拉格方程，通过测量材料衍射角即晶 面间距的变化来确定热残余应力的大小及方向。图1 - 6 给出x 射线应力测量示意 图，图中o l 为空间任意方向，o 及甲两个空间取向角，。，试样表面沿o l 方向 的应变，口、a ：及口。分别为三个主应力。 图1 - 6x 射线应力测量示意图i 删 f i g 1 - 6d i a g r a m m a t i co f x - r a ys t r e s sm e a s u r e m e n t 由弹性力学的理论，图中0 方向弹性应变可表示为1 6 0 , 6 6 1 ： 占m _ = ( s 2 1 2 ) ( c r l lc o s2 0 + 盯1 2s i n 2 0 + 盯2 2s i n2 中一盯”) s i n2 甲 + ( s 2 2 ) ( 仃1 3c o s 巾+ 0 - 2 ) s i n 中) s i n2 、壬，+ ( s 2 2 ) 0 - 3 3 ( 1 - 6 ) + s t ( 口l l + 0 2 2 + 口”) 一7 上海交通大学博士后姜传海研究报告第1 章绪论 式中s ，= 一y e ，s ：2 = ( 1 + v ) e ，y 材料泊松比，e 材料弹性模量。 晶体衍射的布拉格方程为： 2 d s i n 0 = 五( 1 - 7 ) 式中d 为晶面距，护衍射角，五是x 射线波长。 根据式f 1 7 ) ，应变s m ，还可表示为： s 。v = d m 十一d o d o = 一b 1 8 0 。) c o t 0 0 ( 2 如v 一2 0 0 ) 2 ( 1 - 8 ) 通过测量不同中及甲角情况下x 射线衍射角2 0 ，联合式( 1 6 ) 与( 1 8 ) 即可 确定材料表面的各应力分量。 x 射线衍射测量法原理简单并且操作方便，但由于穿透能力较弱，仅能测量 材料表层区域的残余应力；但利用穿透力较弱这一特点，x 射线方法结合剥层技