SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料弯曲力学性能及其评价.pdf

文章编号 1000 3851 2002 06 0057 04 收稿日期 2001 04 20 收修改稿日期 2001 11 27 基金项目 西安交通大学在职博士基金资助 作者介绍 郭 成 1948 男 博士 教授 主要研究方向为先进材料制备与成形控制 冲压件质量控制和模具C3P 通讯作者 郭 成 E mail g ch SiC 颗粒增强铝合金基梯度复合材料 弯曲力学性能及其评价 郭 成 郭生武 程 羽 张新功 史东才 西安交通大学 机械工程学院 西安 710049 摘 要 采用三点弯曲法 对SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料的弯曲力学性能进行了研究 提出了梯度复合 材料抗弯强度比 R1和 R2两个新的力学性能评价指标 结果表明 金属基梯度复合材料 MMGC 的弯曲力学性能 与其基本组分力学性能的关系不符合 ROM 法则 材料的抗弯强度和最大挠度强烈地受到 SiC 颗粒梯度分布方式 与弯曲方向的影响 当基体处于受拉侧 高 SiC 含量组分处于受压侧时 M MGC 能充分发挥其性能优势 MM GC 在 受梯度应力作用下的力学性能优势和其方向性特征受到材料状态 材料宏观不均匀性和微观连续性等因素的影 响 M MGC 的抗弯强度比 R1反映了这类材料的性能优势 而抗弯强度比 R2则反映了材料的方向性能特征 关键词 梯度复合材料 弯曲力学性能 中图分类号 T B331 文献标识码 A BENDING MECHANICAL PROPERTIES AND ITS EVALUATION OF ALUMINIUM ALLOY MATRIX GRADIENT COMPOSITES REINFORCED WITH SiC PARTICLES GUO Cheng GUO Shengwu CHENG Yu ZHANG Xingong SHI Dongcai School of Mechanical Engineering Xi an Jiaotoug University Xi an 710049 Abstract The bending mechanical properties of aluminium alloy matrix gradient composites reinforced with SiC particles were studied using a bending test under three point loading T he bending strength ratios R1and R2of the composites were put forward The results show that the bending mechanical properties of the Metal Matrix Gradi ent Composites MMGC do not obey the Role of M ixture ROM law T he bending strength is remarkably influ enced by the distribution way of SiC particles and bending direction T he MM GC can develop their full potential in bending properties when the matrix component is laid at the tensile side and the component with high SiC volume fraction at the compressive side The potential of mechanical properties and the oriented features of the M MGC by the action of gradient stress are influenced by many factors such as the state the macro uniformity and the micro continuity of materials T he bending strength ratios R1and R2can be used to justify the bending properties and the orientation of the composites Key words gradient composites bending mechanical properties 梯度功能材料 FGM 由于具有均质和复层材 料所不具备的许多优点 引起国内外材料界和许多 研究机构的极大兴趣和密切关注 1 3 因为研究工 作多针对航空航天领域 以热应力缓和功能为目的 展开 限制了 FGM 发展 4 然而 FGM 在非常广泛 的领域有着潜在的应用前景 3 4 因此 开展以强度 为主要功能的梯度结构材料的研究 开展功能材料 与 结构 材 料 一 体 化 的 金 属 基 梯 度 复 合 材 料 MMGC 研究无疑对 FGM 的开发及其对整个先进 复合材料的发展有着重要的意义 5 6 MMGC 组织结构与性能的梯度分布特征给材 料性能评价带来了很大的困难 目前 还很少见到对 复 合 材 料 学 报 ACTA MATERIAE COMPOSIT AE SINICA 第 19 卷 第 6 期 12月 2002年 Vol 19 No 6 December2002 MMGC 整体力学性能评价的报道 2 7 8 因此 梯度 复合材料的力学性能评价已成为阻碍其工程产业化 进程的关键 本文中采用传统三点弯曲法对一种 SiC 颗粒增强铝合金基梯度复合材料的弯曲力学性 能进行了实验研究 揭示了这类材料弯曲力学性能 与各组分性能的关系 分析了 SiC 颗粒梯度分布方 式 弯曲方向 材料状态及其组织结构特征对材料性 能的影响 提出了两个新的材料力学性能评价指标 1 实验材料 设备和方法 2 1 1 实验材料 SiC 颗粒选用平均粒度为 10 m 的工业用砂轮 磨粒 其体积含量分别取 0 5 10 15 20 5 种 基体采用工业纯铝粉配制 其化学成份列于 表 1 其中铝粉和镁粉经 150 目过筛 铜粉经 320 目 过筛 表 1 基体的化学成份 vol Table 1 Chemical composition of the matrix vol CuMgSiFeAl 4 500 60 0 10 1 这说明 在这种受 力状态下 MMGC 抗弯强度较均质复合材料有所提 高 其提高的幅度与材料的状态和梯度层数有关 烧结 态R1值 大于 T 6 态R1值 梯度 层数 越多 59 郭 成 等 SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料弯曲力学性能及其评价 表 6 MMGC 的抗弯强度比 R1 Table6 Bending strength ratios R1of the MMGC StateBending twilayerTrilayerFive layerDirection Sintering Matrix stretched 20 SiC stretched 2 055 0 469 2 208 0 536 2 515 0 589 T6 Matrix stretched 20 SiC stretched 1 025 0 611 1 601 0 840 1 898 0 986 注 打 号试样弯曲时产生层间开裂 材料的微观连续性越好 抗弯强度越高 五层梯度分 布 MMGC 的抗弯强度较均质复合材料提高了 0 9 1 5 倍 20 SiC 组分处于受拉一侧时 R1 1 这 说明 在这种受力状态下 MMGC 抗弯强度有所降 低 烧结态材料抗弯强度下降幅度较 T 6 态大 梯度 层数增多 抗弯强度的下降幅度减缓 五层梯度分布 T 6 态材料的抗弯强度接近相应的均质复合材料的 抗弯强度 分析 R1值的大小可见 当 MMGC 的组 织结构和梯度分布方式与其所受应力 应变分布相 适应时 这类材料能充分发挥其性能优势 材料的微 观连续性越好 其性能优势越明显 表 7 和表 8 显示了不同状态 不同梯度层数和 不同组分过渡 MMGC 的抗弯强度比 R2 由表中可 见 MMGC 具有明显的方向性特征 其方向性受材 料状态 宏观不均匀性和微观连续性的影响 复压烧 结态材料的方向性明显高于 T 6 态 MMGC 的方 向性 材料宏观不均匀性越大 其方向性也越强 表 7 MMGC 的抗弯强度比 R2 Table 7 Bending strength ratios R2of the MMGC statetwilayertrilayerfive layer sintering4 3824 1234 272 T 61 6781 9051 925 表 8 T6 态两层 MMGC的抗弯强度比 R2 Table 8 Bending strength ratios R2of the twilayer MMGC in T6state Matrix 5 SiCM atrix 10 SiCMatrix 20 SiC 1 2911 4271 678 MMGC 的方向性也受其梯度变化微观连续性的影 响 但影响程度相对较小 4 结 论 1 金属基梯度复合材料的弯曲力学性能与其 基本组分力学性能的关系不符合 ROM 法则 这类 材料的抗弯强度和最大挠度强烈地受到 SiC 颗粒梯 度分布方式与弯曲方向的影响 2 当基体处于受拉侧 高 SiC 含量组分处于 受压侧时 MMGC 能充分发挥其性能优势 MMGC 在受梯度应力作用下的力学性能优势和其方向性特 征受到材料状态 材料宏观不均匀性和微观连续性 等因素的影响 3 抗弯强度比 R1反映了这类材料的性能优 势 抗弯强度比 R2反映了材料的方向性特征 参考文献 1 傅正义 袁润章 赵修建 梯度功能材料的研究 J 复合材料 学报 1992 9 1 23 29 2 郭 成 程 羽 易树清 等 SiC 颗粒增强铝合金基梯度复 合材料的制备与压缩性能研究 J 复合材料学报 1999 16 1 8 13 3 新野正之 倾斜机能材料 发想 开发动向 J 工业材料 1990 38 12 18 25 4 郭 成 朱维斗 金志浩 梯度功能材料的研究现状与展望 J 稀有金属材料与工程 1995 24 3 18 25 5 赵稼祥 周瑞发 先进复合材料及其应用研究的现状与发展趋 势 J 复合材料学报 1993 10 3 18 34 6 郭洪光 光电器件用金属基复合材料研究进展 J 兵器材料 科学与工程 1996 19 4 67 72 7 T akahashi H Hashide T Development of an evaluation method of functionally gradient materials J J