非连续体增强金属基复合材料的物理增强机制研究.pdf

第 2 8卷第 期 西安交通大 学学报 vof 28 2 1 994 年 4 月JO URN A LOFX l AN JIAOTONGNUI V ERSTIY Ap r 19 94 非连续体增强金属基复合材料 的物理增强机制研究 权 高峰柴东朗宋余九涂铭族 材料工程系 摘要 研究 了领粒和短纤维 增强金属墓复合材料的物理增强机制 分析计算及 实验均 表明 复合材料中墓体金属的物理 强化程度远 高于单一墓体合金 主要表现为高密度 位错和短 粗 密集的析出相 以及 有利 的残 余应力分布 显微 硬度 分析证明了上述强 化因素沿增强体径向梯度 减弱的推论 关链词 非连续 体增强金属基复合材料物理增强机制 位钳密度 中国图书资料分类法分类号 TB3 31 0 前言 非连续体 颗粒 短纤维等 增强 金属 基复合材料 Di s eontinu o u sly R ein fo r ce dM eta lMatrix c o mo P i s t e D RM M C 是 近年来发 展最 快 的新型结构 材 料 之 一 已在 航 空航天 器 军械 汽车零 部件等方面得到应 用仁 目前关于 DRM MC 的应用研究 如制造和处理工艺 变形加工工艺 2 3口以及 常规机械性能 研究 国 内外均有大量报道 但基础 理论 方 面的研究相对较弱 关于 DRM Mc 增 强 机制方 面的 研究 目前主 要有以下几种看法 1 位错强化说 4 5卫 认为非连续增强体的存在 使基体金属中的位错行为 产生 运动 发生 显著改变 产生增强效应 该理论 不能解释 D RM Mc 弹性模量 和强 度 随增 强体含量 和长径比增 加 而上升的普遍规律 2 载荷转嫁说 此即分载 应力 机制 一般 用混合定则 Ro f e o fMix tu r e R OM 表述 认为在 收到日期 199 3 一 0 7 一 0 8 权 高峰 男 19 58 年 8月生 讲师 本项目得到西安交通大学机 械结构强度与振动国家重点实验室基金和北京中关村地区联合分析测试 中心基金资助 成都科技大学金属材料系 5 西安交通大学学报 第2 8卷 复合材料中增 强体起分担应 力作用 使复合材料整体承载能力增 加 该理论为很多人所接受 并加以修正 6 但它不 能解释基体强度对 DRM Mc 强度的决 定性贡献 3 约束基体变形说川 由于一般增强体的高强度和高模量特性 使得复合材料 中增强体 之间基体金属 的弹塑性变形受到 强烈约束 使复合材料的强度和模量升高 这种提 法仅限于叙 述而缺乏 明确的数理 表达 反映 的是复合材料最 一般的表象行为 此外 还有残余应 力作用和 晶粒细化说贾等 以上关于 D RMMc 增 强 机制的提法 虽各有论 据 但并不能概括 ORMMC 增 强现象的全部 各反映 了 问题 的一个侧面 随着复合材料理 论研 究 工作的深入 和研究范围的扩大 人们越来 越 意识到 DRM Mc 的基础理论研究已落后 于应用 研究的要求 我们通过大量 研 究和分析 认为 DRMMc 增强 机制是由下述 两个互相联系又互相 区别的核 心机制构成 1 物理增强 机制 2 力学 增强 机制 在某一具体复合材料中 物理 增 强 或强化 机制与力学 增强 机制均发挥着重要作用 换言 之 DRMMC 的强化通常是 由物理 和力 学两 种 因素共同作用的结果 不 同增强体状 态 如含量 尺寸 形状 分布等 的复合材料 力 学增 强机制和物理 增 强机制所 占比重 是不 同的 对可资商 用的复合材料 物理与力学 增 强 因素均是 不可忽视 的 本文 重点研究 D RMMc 的物理增强 机 制 非连续体增强金属基复合材料的物理增 强机制 所谓物理 强化 广义上 指经典物理冶金学上所研究的合金的各种强化因素的总和 如常规 金属材料中的主要 强化机制为 固溶强化 沉淀或弥散强化 位错强化及 细化晶粒强化等 这里 所谓的物理增 强机制 则专指由于增强体的引入 在原来单一合金 强化状态的基础 上所附加的 强化效应 包括对原有强化机制在量 程度 和质 性态 上 的改变 1 1 位错强化 可分为两个方面 l 由于增强体加入 后形成了许多界 面 以及增强物往往在物理上 和几 何上与基体是 不相容的 如高的弹性模量 低 的o Pis s o n比和完全 不 同于基体的点阵类型 使 得这些界面成为堵塞位错运动的 镜面 作用 于位错的镜像力l ma g e o F c r e 可表示为 G Z G Z 一G l G Z G 尹2 1 其中 G G 分别为基体和增强体的剪切弹性模量 b 为基体中位错的柏氏矢量 为位错至界面 距离 夕为垂足 在一般复合材料 中 G Z G 因此iF m 表现为排斥力 可见 这种界面的性质 决定 了位错不可能 到达或越 过界 面 因为界面 的线 度远远大于位错线长度和自由程 这与弥散强化 质点的作用是不 同的 位错更不可能绕过 当然在极低体积分数和微小粒子 尺寸远小于 基体 晶粒尺寸 增 强 的情形 仍可用o r ow a n机制来处理 2 经过制造或热处 理过 程中的热循环后 由于增强体和基体之间热膨胀 系数差造成基体局部 或全 面 屈服而产生较大范围的高密度位 错 形成较大的位错背应力 a Bc k s te r s s 造成局部基体的进 一 步强化 作者的计算表明 在近 粒子的塑性区内 等效 塑性 应变量为困 5 西安交通大学学报 第8 2 卷 复合材料中增 强体起分担应 力作用 使复合材料整体承载能力增 加 该理论为很多人所接受 并加以修正 6 但它不 能解释基体强度对 DRM Mc 强度的决 定性贡献 3 约束基体变形说川 由于一般增强体的高强度和高模量特性 使得复合材料 中增强体 之间基体金属 的弹塑性变形受到 强烈约束 使复合材料的强度和模量升高 这种提 法仅限于叙 述而缺乏 明确的数理 表达 反映 的是复合材料最 一般的表象行为 此外 还有残余应 力作用和 晶粒细化说贾等 以上关于 D RMMc 增 强 机制的提法 虽各有论 据 但并不能概括 ORMMC 增 强现象的全部 各反映 了 问题 的一个侧面 随着复合材料理 论研 究 工作的深入 和研究范围的扩大 人们越来 越 意识到 DRM Mc 的基础理论研究已落后 于应用 研究的要求 我们通过大量 研 究和分析 认为 DRMMc 增强 机制是由下述 两个互相联系又互相 区别的核 心机制构成 1 物理增强 机制 2 力学 增强 机制 在某一具体复合材料中 物理 增 强 或强化 机制与力学 增强 机制均发挥着重要作用 换言 之 DRMMC 的强化通常是 由物理 和力 学两 种 因素共同作用的结果 不 同增强体状 态 如含量 尺寸 形状 分布等 的复合材料 力 学增 强机制和物理 增 强机制所 占比重 是不 同的 对可资商 用的复合材料 物理与力学 增 强 因素均是 不可忽视 的 本文 重点研究 D RMMc 的物理增强 机 制 非连续体增强金属基复合材料的物理增 强机制 所谓物理 强化 广义上 指经典物理冶金学上所研究的合金的各种强化因素的总和 如常规 金属材料中的主要 强化机制为 固溶强化 沉淀或弥散强化 位错强化及 细化晶粒强化等 这里 所谓的物理增 强机制 则专指由于增强体的引入 在原来单一合金 强化状态的基础 上所附加的 强化效应 包括对原有强化机制在量 程度 和质 性态 上 的改变 1 1 位错强化 可分为两个方面 l 由于增强体加入 后形成了许多界 面 以及增强物往往在物理上 和几 何上与基体是 不相容的 如高的弹性模量 低 的o Pis s o n比和完全 不 同于基体的点阵类型 使 得这些界面成为堵塞位错运动的 镜面 作用 于位错的镜像力l ma g e o F c r e 可表示为 G Z G Z 一G l G Z G 尹2 1 其中 G G 分别为基体和增强体的剪切弹性模量 b 为基体中位错的柏氏矢量 为位错至界面 距离 夕为垂足 在一般复合材料 中 G Z G 因此iF m 表现为排斥力 可见 这种界面的性质 决定 了位错不可能 到达或越 过界 面 因为界面 的线 度远远大于位错线长度和自由程 这与弥散强化 质点的作用是不 同的 位错更不可能绕过 当然在极低体积分数和微小粒子 尺寸远小于 基体 晶粒尺寸 增 强 的情形 仍可用o r ow a n机制来处理 2 经过制造或热处 理过 程中的热循环后 由于增强体和基体之间热膨胀 系数差造成基体局部 或全 面 屈服而产生较大范围的高密度位 错 形成较大的位错背应力 a Bc k s te r s s 造成局部基体的进 一 步强化 作者的计算表明 在近 粒子的塑性区内 等效 塑性 应变量为困 5 西安交通大学学报 第 2 8 卷 复合材料中增 强体起分担应 力作用 使复合材料整体承载能力增 加 该理论为很多人所接受 并加以修正 6 但它不 能解释基体强度对 DRM Mc 强度的决 定性贡献 3 约束基体变形说川 由于一般增强体的高强度和高模量特性 使得复合材料 中增强体 之间基体金属 的弹塑性变形受到 强烈约束 使复合材料的强度和模量升高 这种提 法仅限于叙 述而缺乏 明确的数理 表达 反映 的是复合材料最 一般的表象行为 此外 还有残余应 力作用和 晶粒细化说贾等 以上关于 D RMMc 增 强 机制的提法 虽各有论 据 但并不能概括 ORMMC 增 强现象的全部 各反映 了 问题 的一个侧面 随着复合材料理 论研 究 工作的深入 和研究范围的扩大 人们越来 越 意识到 DRM Mc 的基础理论研究已落后 于应用 研究的要求 我们通过大量 研 究和分析 认为 DRMMc 增强 机制是由下述 两个互相联系又互相 区别的核 心机制构成 1 物理增强 机制 2 力学 增强 机制 在某一具体复合材料中 物理 增 强 或强化 机制与力学 增强 机制均发挥着重要作用 换言 之 DRMMC 的强化通常是 由物理 和力 学两 种 因素共同作用的结果 不 同增强体状 态 如含量 尺寸 形状 分布等 的复合材料 力 学增 强机制和物理 增 强机制所 占比重 是不 同的 对可资商 用的复合材料 物理与力学 增 强 因素均是 不可忽视 的 本文 重点研究 D RMMc 的物理增强 机 制 非连续体增强金属基复合材料的物理增 强机制 所谓物理 强化 广义上 指经典物理冶金学上所研究的合金的各种强化因素的总和 如常规 金属材料中的主要 强化机制为 固溶强化 沉淀或弥散强化 位错强化及 细化晶粒强化等 这里 所谓的物理增 强机制 则专指由于增强体的引入 在原来单一合金 强化状态的基础 上所附加的 强化效应 包括对原有强化机制在量 程度 和质 性态 上 的改变 1 1 位错强化 可分为两个方面 l 由于增强体加入 后形成了许多界 面 以及增强物往往在物理上 和几 何上与基体是 不相容的 如高的弹性模量 低 的o Pis s o n比和完全 不 同于基体的点阵类型 使 得这些界面成为堵塞位错运动的 镜面 作用 于位错的镜像力l ma g e o F c r e 可表示为 G Z G Z 一G l G Z G 尹2 1 其中 G G 分别为基体和增强体的剪切弹性模量 b 为基体中位错的柏氏矢量 为位错至界面 距离 夕为垂足 在一般复合材料 中 G Z G 因此iF m 表现为排斥力 可见 这种界面的性质 决定 了位错不可能 到达或越 过界 面 因为界面 的线 度远远大于位错线长度和自由程 这与弥散强化 质点的作用是不 同的 位错更不可能绕过 当然在极低体积分数和微小粒子 尺寸远小于 基体 晶粒尺寸 增 强 的情形 仍可用o r ow a n机制来处理 2 经过制造或热处 理过 程中的热循环后 由于增强体和基体之间热膨胀 系数差造成基体局部 或全 面 屈服而产生较大范围的高密度位 错 形成较大的位错背应力 a Bc k s te r s s 造成局部基体的进 一 步强化 作者的计算表明 在近 粒子的塑性区内 等效 塑性 应变量为困 第 2 期权高峰等 非连续体增强金属基复合材料的物理增强机制研究 局部失稳判据 a a护 5 由 4 5 式知 当 局部残余应力与外应 力场同向时 将使该处较早失稳 反 之 可使局部有效 承载能力增 加 可见 残余应力对复合材料宏观力学性能有一定影响 如拉伸屈服强度低于 压 缩屈服强度 拉伸弹性模量高于压 缩模量等 实际 上 这种热残余应力 虽然起因完全是物理 因素 作用机制却完全是力学的 这就是物理增强机制与力学 增强机制间最直接的联系 关于 这个问题的讨论将放在 力学 增强机制 的研究中进行 除了上述几个主要的物理 增 强机制外 还 观察到 了细化晶粒强化 促进 凝固形核 阻 碍固 态再结晶等 等因素 综上所述 D RM Mc 中物理增强的程度与增 强体的物理性态紧密相关 且沿增强体径 向呈 减弱趋势 显微硬度分析完全证明了这一推断 图3 2 结论 非连续体增强 金属 基复合材料的物理增强机制主 要有位错强化 促进沉淀析出强化 和有 利的残余应力分布等几种 这些 因素或增强 了原有强化机制 或仅为 D RM MC 中所特有 共同 起物理增强作用 致谢感谢刘禹门教授对本文 TEM 分析结果的有益讨论 参考文献 FAGirot JMG u enis set RNislain Dis e ontinuo u slyr einfor eeda lumin um m atrixeom p o sites sum mary C om Po site M ate ria l a nd T eehno logy 19 87 3 0 15 5 1 7 1 马宗义 姚忠凯 i sc w 606 1A I 复合材料的 热挤 压变形 及对组 织 性能 影 响 兵器材料科学 与工 程 19 90 5 25 3 0 RBBhag ar The e ff e etso fhotpr es sing pa rameter son the strensthofalum in um stain les s ste el eom Po site s M etal l T ran s A 198 5 16A 4 6 2 3 628 FBo no l lo RG u er riero ESe ntim enti eta l The e f fe etso fqu e n ehingon the m ee ha niea lPr o Pe r ties o f Powdermetal lursieall yPro d ueed AI 一 SIC Pa rtiele s m ea t lm atrixe om Po site s M ater Sei E n s ng 19 91 A 14 4 3 0 3 3 0 9 RJA rs e n a ult L W a ng CRFe ng Str engtheningo f eom Po sites du e tomier ostr uetur alehangesin the m atrix AetaM eta l lMat er 19 91 3 9 l 47 5 7 CMF rieud T hein 一si tumatrix Pr o Pe rtie s o f sho rr一fib erreinfo r eed m etal m atrixe om Po site s In S W Ta si ed Prc o e ed ingso f the sthI nter C on fC om Po site M ateria ls H ono lulu Pe rg a m on P r 19 91 20F l 9 C P Y ou M Dol la r A W ThomPso n etal Mie r o strueture Pr o p e rtyre latio n shiPsand hydroge ne f fe ets in a pa rtie ulate 一r e info r eeda lumin umeom Po sites M etall T r an s A 19 91 2 2A 10 2 4 4 5 54 西安交通大学学报 第 2 8 卷 2540 8 蔡宏伟 颗粒 和短 纤维增 强金 属 基复合材料中的热 残余应 力研究 博士 学位论文 上 海 上海交通大学复合材料研究所 9193 9 权高峰 柴 东朗 宋余九等 颗粒 增 强复合材料中微观热应力和残余应 力分析 应用力学 学 报 19 94 11 4 待印 10T h C a ndr a YDake H igh 一 temPer aturedeformario n beha v ior a nd mie r ostruetur al in vestigationon si l ieonearb ide Pa rrieulate r ein f or eeda lumin um eomPo site s In 5 W T saied P r o ee edingso fthesth In ter C o n fC omPo site M ateria ls Ho no lulu P e rgamon P r 1991 ZIF l 12 1 1 Q ua n G ao f eng Lu o Xingho ng ChaiDo ng la ng eta l The嗽ud y on thehe attreatment eharaeter isties o fd is eo ntin u o u slyrein fo re ed m eta lmatrix eomPo site s M ateria lsSeie n eea nd T eehn o logy 19 93 l sPeeial 2 3 2一2 3 4 12NS hi RJA rs en au lt ADK r an ity etal D e fo rmation indueed residua l stres sehange s inSIC wh isker 一re info r e ed 606lA I eom Po sites M ea t l lT r a n s A 19 9 3 24A l 187一19 6 编辑 狄怀春 A NINV ESTIGA TI ONONPHYSI CALSTR EN GTHENIN G ME CH A N ISMSINDISCONTIN U O U SL YR E INFOR C ED MET A L MA TR IX COMPO SITES 伽 a G a o f e ng Cha之o D n gl a n g s o 9 Y u j u e DPa rrmentof M a rerials c S ien ee and Eng ine e r T u M ng7iog ins A bstra Ct ThisPaPe r Pr esentsa n in v esti gationon the Phy siealstr