TiC／Ti3AlC／Ti3Al三相自生复合材料热应力分析（稀有金属材料与工程论文）

TiCTiC Ti3AlCTi3AlC Ti3AlTi3Al三相自生复合材料热应力分析 稀有三相自生复合材料热应力分析 稀有 金属材料与工程论文 金属材料与工程论文 第36卷增刊3xx年9月稀有金属材料与工程RARE METALM ATERIAIl sAND ENGINEERINGVo1 36 Supp1 3SeptemberxxTiC Ti3AIC Ti3Al三 相自生复合材料热应力分析米国发 王宏伟2刘翔宇 朱兆军2曾松 岩 1 河南理工大学 河南焦作454000 2 哈尔滨工业大学 黑龙 江哈尔滨150001 摘要根据TiC Ti3A1C Ti3A1三相自生复合材料的 结构 建立了热应力分析的4层嵌套模型 推导了热应力计算公式 并利用该模型计算了TiC Ti3A1C Ti3A1三相复合材料的热应力 计算结果表明各相及对应界面的法向应变和切向应变均较TiC Ti3A 1两相结构材料有所降低 这有利于防止材料发生界面脱粘损坏在Ti 3A1C界相中只产生较小的切向压应力 可大幅度降低Ti3Al基体相中 的切向压应力 有利于防止Ti3Al基体发生拉裂破坏 对具有包覆结构的TiC Ti3A1C Ti3A1合金的显微力学性能进行了 测试 Ti3A1C界相的存在 使增强体中心到基体的显微硬度和弹性 模量呈梯度变化 有利于应力传递 关键词TiC Ti3A1C Ti3A1三相自生复合材料 热应力分析中间相 中图法分类号TG457 1A1002一l85X xx 3一l72一O61引言目前所研究的金属基复合材料多为增强体和 基体组成的两相复合材料 增强体与基体的热膨胀系数 弹性模量 往往有较大的差别 复合材料在制备及后续的热处理过程中由于温 度变化必然要引起热应力 1l2 近几年来 随着材料科学和技术的迅猛发展 使材料从更深层次上 复合成为可能 为性能更加优异的复合材料的研制和应用提供了可 靠的保证 3l4 复合材料的增强相与基体间的结合情况对复合材料的力学性能有很 大的影响 为了加强增强相与基体间的结合 可以采用在增强相周 围包覆一层第三相材料 这样就组成了三相复合材料 这第3种材料称为界相 它的厚度可以人为控制以达到最佳的复合材 料总体性能 本文基于对原位自生碳化物增强钛基复合材料Ti3A1C的研究 5墙 建立了三相复合材料的热应力分析模型 并与两相复合材料的热 应力值进行了对比 2Ti3AIC热应力分析模型2 1分析模型图1a给出三相结构复合材料的 分析模型 包覆结构颗粒处于半径为C的球形金属基体中 形成由芯部 包覆层 基体组成的3层球 为考虑其它包覆结构颗粒对所研究颗粒的影响 将此3层球嵌入由其它包覆结构颗粒及它们周围的金属基体组成的 等效复合材料中 从而形成4层嵌套模型 在两相复合材料中不存在包覆层相 则图1a的4层嵌套模型变为图1b 所示的3层嵌套模型 图l两相和三相结构复合材料的分析模型fig 1schematic modelsfor threephase and two phase structure posites a four layer spheremodel and b three layer spheremodelxx一ll一2o作者简介米国发 男 1966年生 博士 教 授 河南理工大学材料学院 河南焦作454000 电话0391 3987503 e maih pe r hpu edu 增刊3米国发等tic ti3aic ti3ai三相自生复合 材料热应力分析 173 料作如下假设 1 芯部颗粒与包覆层之间的结合面在图1所示的4层嵌套模型中 令 P P 0 P P2和包覆层与基体间的结合面为理想界面 即在界面分别为 界面r d处的拉应力和界面c r b a处r a r b和r c处两边的位移 和应力是连续的 2 4L 的拉应力 E 0 E 1 E 2 E3分别表示等效复合材料 部颗粒 包覆层和基体在所讨论的温 度区间为各向同基体 包覆层和芯部颗粒的弹性模量 v v 1 v 2 v3性弹性体 其本构关系遵循虎克定律 令 分分别为相应材料的泊松比 2 3分别为相别为基体 包覆层和芯部颗粒的体积分数 则有应材 料的热膨胀系数 0c 表示c处等效复合材 jS l 1 料和基体的径向位移 Plb 2b表示r b处基体和包覆假设包覆结 构颗粒的空间分布为体心立方点阵 层的径向位移 P2 P3 表示a处包覆层和芯部颗粒可求得芯部颗粒的体积分数 包覆层的体 积分数的径向位移 T为变温数值 T大于零表示升温 T小和基体的 体积分数与组织参量a b c的关系于零表示降温 根据热弹性力学 解得各相在边界知7 7而A1 13 睇a3Ta 1 2v3 2 I2 3一岛 p2a ot2 4 a p 6一1 V2丽a3乃 一乃 百1 v1丽b3 7 一百即c南 南poc ao 8 根据位移连续条件 u32 f l2b f l1h 0利用弹性力学知解得一呈兰二 厶 f1 厶1p t2 l 2三 l V2f3E 2E2 1 2v 1 47 f2 1 1 2E 1 1 47 f2 兰c1 47f3p 2 1 2v 1 1 47 f2 1 2v01 1 1 47f311 一 2 1 1 47 f2 Eo1 47f3 d 一12Eo1 47一 式 9 11 即为三相复合材料界面正应力的计算公式 把尸 0 尸 1 尸2代入弹性力学平面应力问题的有关公式 即可求得三相复合 材料各相的热应力应变 在两相复合材料中 不存在界相 见图lb 则基体的体积分数为 在 9 11 中令E2钮 a2 1 V2 V1 等效复合材料的线膨胀系数为 弹性模量为E 同三相复合材料中的解法一样 可求得两相复合材料中界面作用力P 0 P2 3应力一应变计算结果分析与讨论稀有金属材料与工程第36卷3 1计 算参量的确定根据以上实验结果和有关文献 10 11 以下计算时 对tic ti3aic ti3ai三相结构各相参数取值为体积分数a o 7 f 2 0 1 0 2 弹性模量el 2x10mpa 2 5xlo mpa e3 3 2xlo mpa 热膨胀系数 1 12x10 一 9x10 37 4x10 泊松比Vo Vl v2v3 0 3 b 10m TiC Ti3AI两相结构各相参数取值为体积分数A o 8 0 2 弹 性模量El 2x10MPa E33 2x10MPa 热膨胀系数 1 12x10曲 3 7 4x10 泊松比Vo Vl O 3 3 2TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构复合材料热应力分析表1和表2分 别为单位降温时 T 一1 TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构复合材料与TiC Ti3AI两相结 构复合材料中界面处法向正应力和切向正应力的计算结果 同时图2 给出TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构与TiC Ti3AI两相结构复合材料 中各相的热应力分布 表1TiC Ti3AIC Ti AI三相结构法向正应力和切向正应力的计算结 果Table lComputat ionalresults of norm alstress O r andtangent ialstress O 0in TiC Ti3AlC Ti3Al threephase structure器詈r 3表2TiC Ti3AI两相结构法向正应力和切向正 应力O 0的计算结果Table2Computat ionalresuRs of normal stressO r and tangential stressO 0in TiC Ti Al two phase structureI aTiC T 3AB Ti3AI印迥 t 印 Distance from the Center of TiCParticle m bTjC Ti3Al 嘲O r 一Distance fromthe Centerof TiCParticle m图2三相和两相结构复合材料中各相的热应力分布F ig 2Thermal stressdistribution in each phase of three andtwophase posites a in three phases and b in two phases由表1 表2和图2可以看出 TiC Ti3AIC Ti3Al三相结构复 合材料增强体 界相的界面应力与TiC Ti3AI两相结构复合材料增 强体 基体界面的界面应力相比 法向应力同为压应力 但三相结 构中的法向应力减小 三相结构中增强体 界相的切应力为较有利 的压应力 而两相结构中增强体 基体界面的切应力为较大的拉应 力 比三相结构中的切应力大 0 737722 0 03484 21倍 与两 相结构材料的增强体 基体应力相比 三相结构材料中界相 基体 的法向压应力比其减小25 同时切向应力仍表现为有利的压应力 TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构复合材料中 TiC和Ti3AIC相的法向应 力和切向应力始终表现为压应力 由于Ti3AIC界相的存在 形成应 力梯度的界面过渡层 有利于减小应力集中 表3和表4分别为单位降温时 一1 TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构复 合材料与TiC Ti3AI两相结构复合材料中界面处法向应变和切向应 变 e的计算结果 图3为TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构与TiC Ti3AI两相结构复合材料 中各相的应变分布 由表3 表4和图3可以看出 TiC Ti3AIC Ti3Al三相结构与TiC T i3AI两相结构复合材料中各相和对应界面的法向应变和切向应变均 为压应变 但两相结构复合材料材料中各相以及对应的界面的法向应变和切向 应变均大于三相结构材料中各相及其对应的界面增刊3米国发等tic ti3a1c ti3a1三相自生复合材料热应力分析 l75 的法向应变 和切向应变 由图3还可看出 随着距增强体中心距离的增加 2种结构中各相的 法向应变和切向应变均下降 应变集中为法向方向 出现在Ti A1基体侧 为进一步分析三相复合材料的相间热应力 对TiC Ti3AIC包覆结构 的显微力学性能进行了测定 图4为经l100 热处理120h的含有包覆结构颗粒的Ti 25A1 1 5C 合金的显微硬度和弹性模量 图中的坐标原点为TiC颗粒的中心 由图可以看出 从TiC颗粒中心至基体 显微硬度和弹性模量呈下降 趋势 TiC颗粒的显微硬度和弹性模量平均值最大 分别为21 5GPa 和320GPa 基体的显微硬度和弹性模量平均值最小 分别为8 5GPa 和250GPa 而包覆层Ti AIC的显微硬度和弹性模量平均值介于TiC增强相和Ti3Al基体问 分 别为l5GPa和200GPa 表3TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构法向应变岛和切向应变的计算结果 Table3Computational resultsofnormal strainandtangential strain in TiC Ti3AIC Ti3AI threephase structure0一 a时 0一 a时 表4TiC Ti3AI两相结构法向应 变岛和切向应变 0的计算结果Table4Computational resultsofnormalstrain r andtangential strainE0in TiC Ti3AI twophasestructureDistance fromthe Centerof TiCParticle ttm TiC Ti3A1b rJ S0 distance fromthe centerof ticparticle ttm图3三相和两相结构复合材料中各相的应变分布fi g 3strain distribution ineachphaseofthreeandtwophase posites a thermal stressdistribution inthreephasesand b thermal stressdistributionintwophases时0器a时l2 竺茎a tic ti 3a1c ti al 一 distance fromthe centerof tic am btic ti a1cti3al i distance f romthecenterof tic um图4经l100 热处理120h的ti 25a1 1 5c合金的显微硬度 和弹性模量fig 4microhardness a and elastic modulus distribution b ofti一25a1 0 5c alloytreated atl100 c 120h 0 一口0u 时一 l76 稀有金属材料与工程 第36卷由上述计算结果和分析可以知道 界相ti3aic的弹性模量介 于增强体tic和基体ti al之间 属于中间相 ti3a1c弹性模量介于tic增强体和ti3al之间 形成模量梯度的界面过渡层 使得增强体 界相 界相 基体界 面的法向应力和切向应力均为较有利的压应力 各相及对应界面的 法向应变和切向应变均较两相结构材料有所降低 有利于防止材料 发生界面脱粘损坏 在ti aic界相中只产生较小的切向压应力 就可大幅度降低ti3al基体相 中的切向压应力 有利于防止ti3al基体发生拉裂破坏 ti3aic弹性 模量介于tic增强体和ti3al之间 形成模量梯度的界面过渡层 有 利于应力传递 产生有利的增强增韧效果 因此 与TiC Ti3AI两相结构复合材料相比 TiC Ti3AIC Ti3AI 三相结构复合材料的性能会更优异 3 3Ti3AIC体积分数对热应力的影晌表5和表6分别为一l 时界面法 向应力和界面切向应力cro随界相Ti3AIC的体积分数变化的计算结果 由表5可以看出 随着Ti3AIC体积分数的变化 Ti3AIC与TiC的界面 a 以及Ti3AIC与Ti3Al的界面 b 的法向应力的变化趋势相反 但2个 界面的法向应力均为压应力 使得TiC Ti3AIC Ti3AI三相结构复 合材料不至于发生界面脱粘损坏 由表6可以看出 Ti3A1C相处于较有利的压应力状态 而在Ti3Al基 体相中 存在着比Ti AIC相中大得多的切向拉应力 为避免该种应力导致Ti3Al基体拉裂 而造成复合材料的损坏 可以适当增加界相Ti AIC的厚度减小切向拉应力 表5Ti AIC的体积分数 2对界面法向应力的影响Table5Effect ofTisAIC volumefraction正on interfacestress r MPa 4结论1 建立了三相复合材料的热应力计算模型 复合材料中 各相之间的热应力与真实情况较为接近 2 TiC Ti3A1C Ti3AI三相复合材料中Ti3AIC界相的存在 使由增 强体中心至基体显微硬度和弹性模量呈梯度变化 有利于应力传递 3 各相及对应界面的法向应变和切向应变均较TiC Ti3A1两相结构 材料有所降低 有利于防止材料发生界面脱粘损坏 4 在TiA1C界相中只产生较小的切向压应力 可大幅度降低TiAl基体 相中的切向压应力 有利于防止Ti3Al基体发生拉裂破坏 5 适当增加界相Ti3A1C的厚度可以减小切向拉应力 参考文献References 1 Jiang Chuanhai 姜传海 et a1 Acta MetallurgicaSinica 金属学报 J 2000 36 5 555 2 Zheng Maosheng 郑茂盛 et a1 China Science 中国科学A辑 J 1994 24 12 1333 3 Geng Lin 耿林 et a1 Journal ofComposites 复合材料学报 J xx 23 1 l 4 Geng K Lu WJ Zhang D Mater SciEng J1 xx 360l76 5 Wang Hongwei 王宏伟 et a1 Materials Science and Technology 材料科学与工艺 J xx 9 2 182 6 Wei Zuenjie 魏尊杰 et a1 Materials Scienceand Technology 材料科学与工艺 J xx 9 1 100 7 Wang Hongwei Wei Zunjie Zeng Songyan Journal of Harbin Institute ofTechnology New Series J xx 8 2 191f8 wang hongwei fang wenbin wei zunjieet a1 trans nonferrousmetsoc china j xx 13 suppl1 128 9 xu zhilun 芝纶 elasticity mechanics 弹性力学 m 增刊3米国发等tic ti3aic ti3ai三 相自生复合材料热应力分析 177 beijinghigher educationpress 199085 10 zhou yanbang 周彦邦 conspectus oftitanium alloyfoundry 钛合金铸造概论 m beringaeronautics industrypress 2000176 11 ranganath s journalo fmaterialsscience j 1997 321analysis oftherm alstress inthe tic ti3aic ti3ai three phase positesmi guofa wang hongwei liu xiangyu zhu zhaojun zeng songyan 1 henan polytechnicuniversity jiaozuo454000 china 2 harbininsti tuteoftechnology harbin150001 china abstractaording tothe microstructureof tic ti3aic ti3ai three phase posites a four layer thermal stress modelwas proposedin thispaper and theexpression ofthermal stressis deduced based onthe three phase model the thermalstresses oftic tbaic ti ai three phasepositewere calculated the results