金属基复合材料的力学行为及失效方式 - 上 -

1、 载情 况 下 应 变增 加 时 弹 性模量降 低达 分 离 和 产生 裂 纹 所 致 的 。 , 5 % 产生这 一 现 象 的原 因是 由于 增强 体与基 体 出现 的 , 。 应 变 的 精确 测 量 对 弹性 模 量 的精 确测 量 有 很大 的 影 响 图 2 是S I C 长纤 维增 强铝 基 复合 , 材料 拉 伸 时 的应 力 一应 变 曲线 , 应 变 量 采 用在 试 样 两面 测 得 的应 变值 的 平 均 值 , 。 图 中可 以看 , 出 应 力 一应 变 曲线 有两 个 线性部 份 反 映 了 基 体 和 增强 体 的弹性 变形 , 三 部 份 ( 图 2 中 不

2、存在 它 反 映 出 了 确定 F R M 弹性模量 的困 难 曲线 的第一 部份 , 第 二 部份 反 映了 增强 体 的 弹性变形 和基 体 的塑 性 变形 。 第 有 时 可 观 察 到 与断裂 前 纤维 的失效 机 制有关 为了 获 得弹 性模量 。 值 , 根 据 应 力 一应 变 曲 线可 以 获得 应 力 一应 变 曲线的正 切 系数 和 正 割 系 数 随应力 的 变 化 ( 见 , 图3 图 中较 低 的 比 例极 限是 由 于 加 工 过 程 中在 试 样内 部 产 生 的残 余 应 力所 致 , 正 割 系数 对 于 确 定杨 氏模 量 和 比 例极 限 是 一 个 非

3、常重 要 的参量 计算 正 割 系 数 弹性范 围时 , , 如 果原 始数据 正 确 的话 。 , 可 以很 方便 当 应 变超 出 , 它 比相 应 计 算正 切 系 数 分 散性 要小 一 些 , , 另 外从 图 3 可 以看 出 , , 随 着应 变 量 的 增加 正 割 系数 的衰 减速 度 明 显 低 于 正 切 系 数 因此 正 割 系数 。 可 以 用 来 精 确估 计弹 性 模 量 即使 当 应 力 一 应 变 曲线 直 线 部 份 非常 有 限时 也 同 样 适用 杨 氏模童 童 。1 . 。 力 / 叻 a 葵 喇 . 只 创 0 . 了 。 应消 丫 比例 , . 势

4、 应力 图 2 G Pa S I C / A I F R M 的拉 仲应力 应变 曲线 图3 正切 及 正割 系数 与应 力 之 间 的关 系 ( 根据 图 2 的 应力 , 应变 曲 线 。 另 外 一 种 精确 测 定杨 氏 模量 的方 法 是首先 给 试 样 一 个 较小 的 预 应 变 一 卸 载一 个 周 期 , 然后 进行加载 , 随 后 再 加 载时 , , 应 力一 应 变 曲线 线性 部 份 扩 大 , 。 , 这 样可 提 高 其估 计精度 但 是 需要 指 出 的在 使 用和 设 计 材料 属基 复合 材料在 加 工 状 态 下 时 (5 参 考用 这 种方 法获 得 的

5、 弹 性模量 时 应 特别 注 意 因为金 其 比 例 极限 较 低 , 抗 压 性 能 的 测试 抗 压 性 能 是 一 重 要 的 性能 指 标 。 。 在 评 估 金 属基 复 合材 料 的力学 性 能 时 实验 表 明 . ”, 在压 缩状 态下 屈 服应 力 , , 应 力 一 应 变 曲线 和 拉 伸状 态 下 有 很 大 的差 异 , 对 颗粒 增强 和 短纤 维 增 强 的 金 属 基 复合 材料 响 。 实 验 结果 不 一 致 , 尤其是 对 压 缩状 态下 的屈 服应 力是 否 大 于 拉伸 状态 下 的 , 两 类 材 料往 往得 出相 反 的结 论 。 而 且 这 一

6、 差 别同 时 受 铝 合金基 体热 处理 状 态 的 影 , 压 缩试 验 结果 主 要受 加载 方式 和 实验 条件 的 影 响 因 此 上 述 结 果 差 别 主 要 与实 验 条 件及 方 法有 关 在 颗粒 增强 ( P R M 和 短纤 维 ( 晶须 增强金 属 基 复合 材料的抗 压性 能检 测 中多采 用 圆 形 截 面试 样 程 比 较 复杂 时 , 。 , 即 长度 / 直径 比较 小 的 带 有螺 纹 端 头的 圆柱体 型 试 样 , 。 对 长 纤 维 增强金 属 基 复 , 合材 料 ( F R M 由于 需 要 通 过 夹 具设 计克服 翘 曲 , , , 端 头碎

7、 裂 , 不 同 轴 性等 问 题 。 。 测定过 当 长度 与 厚 度 和 宽 度 比值 增加 时 , 翘 曲会 导 致 强 度 的 降低 , 当 这一 比 值 减 小 通 常 由 于 末端 收 缩 末 端 效 应 会 带来 一 些 问 题 其 中 样 品 如果 太 短 应 变 测量 比 较 困 难 。 等一 些 未 知 因 素 很 难 确 定 来避 免 。 计 算 引起翘 曲 的 临界长 度 比 较 困难 、 试 样 的 末 端碎 裂 可 以通 过 采 用 加 压 的 楔 形 活 动夹 具和 采 用 承载 材 料 粘 在试 样 大面 积 区 域 一 般 采 用 槽 形 支撑 座 : 钢套

8、和 其 它 末 端 部件 , 。 支 撑槽 的硬 度 非 常重 要 。 , 因 为 对 圆柱 1 前通 常 采 , 状 和 块 状 纤 维 增强 金 属 基 复 合 材 料 用 的方 法 有 三 种 : : 增强 相 会 压 刻支 撑 槽 从 而 改 变 加 载 的 方 式 。 约束 套 筒 , 末 端承 载材 料及 T R T 技术 在 A l O / A I 和 W / A I R M 中 仔细 研 究 了 方形 试 样 的 高 宽 比 对 压 缩 性 能 影 响 后 发 现 F , , , 极 , 限 抗压 强 度对试 样 高度 与 宽 度 的比 值 最 为 敏感 当高宽 比 为 3 时

9、 达 到最 大值 尽 管此 时 应 力 一 应变 曲 线变 化 不 大 但采 用不 同 的测试 技术 , 。 , 杨 氏模 量 有 很 大的 差 异 研究 认 为 采 用 中碳 钢 , 。 , 作 为末 端 承 接 材 料 由 于 易 于 变 形 而 不 产 生 应 力 集 中 若采 用较 硬 的末端 会 引起试 样 的碎裂 除 了 试 样 的 形 状对 抗 压 性 能有 影 响外 , : 3 , 在 A l 0 长 纤 维 增 强 铝 的 材 料 中实 验 发 现 机 器 、 的 刚 度 对 失效 方 式有 很 大影 响 起 早 期 断裂 (6 。 3 仁 , 。 当 材料 中含 夹 杂 物

10、 空 洞 及 增强 相 的 不 均 匀 分 布 都 会 引 抗 弯及 剪 切 性 能 测 试 , 在 长 纤 维 增 强 的 金 属 基 复 合材 料 中 用 三 点和 四 点 支撑 来 测 定弯 曲强 度 。 , 尽 竹弯 曲强 度 , 不 作 为 最 终设 计 强 度 , 但 其抗 拉 强 度 可 以 通 过 弯 曲强 度 的 测 定 来评估 , 因 为 弯 曲 试 验 简 单方 。 便 , 容 易 与 单 轴试 验 结果 比较 。 同时 试 样 的 准 备 简 单 , , 需 要 的材 料也 少 。 在 弯 曲试 验 中 只 _ 有 少部 份材 料承 受最 大 应力 比 , 四 点 弯

11、曲 试 验 比 三 点 弯 曲试 验 有更 多 的材 料 承 受 最 大 应 力 , . l 当 断裂 发生在 远 离 加载 点所影 响 的 区 域时 对 纤 维 的最 大 公 称 应 力影 响 很 大 a d = , “ 很 容 易解 释 因为 在三 点弯 曲 , , 较 低 的跨 度 与 高度 ( a n (l 一 4h / 3二 s 。 a , 、 是 纯 弯 曲情 况 下 的 最 大 标称 应 力 。 弯 曲过 程 中 , 通 常 断 裂 发 生在 接 近 最 大 应 力 处 , , 因 此 确 定断 裂 初 始 位 置非 常 重 要 如 果 它 偏 离 最 大 应力 处 时 , 公

12、称 强 度 仇 可 以 通过 儿 何 因 素来 修正 。 在 其 它 低韧 性材 料 的 性 能 检 测 过 程 中 经 相 当普 遍 很敏 感 , 。 采 用 断 裂前 缺 陷 的 位 置 和 尺 寸来 修 正 公 称 强 度 已 。 目前 这 一 近似 处 理 已 用 于 金 属基 复 合 材 料 。 因为 金 属 纂 复 合 材 料 的 性能 对 缺 陷 , 尤其 是 长 纤维 增强 的 金 属 基 复合 材 料 , 一 般情 况 下 。 缺 陷 尺 寸 的 不 均 匀 分布 会 使 强 。 度 具 有 很 大 的分 散 性 因此 在 分 析 拉 伸 和 弯 曲试 验 结 果 时 应 认

13、 真 考虑 , 对 金 属纂 复合 材料 , , 弯 曲极 限强 度 高 于 拉 伸 强 度 态 样 品 中容 易 找到 引 起断 裂 这 也 主 要 与缺 陷 分 布有 关 具 有 一 定 尺 寸 的缺 陷 。 。 因 为 在相 同 的检 测 体 积 内 。 “ 拉 仲状 、 引 起 实 测 抗弯 强 度 较 高的 另外 两 个 因 素 这 些 影 响导 致 采 用 线 性 关 系 , 是 试 样支 撑处 的 磨 擦 作用 和 应 力 一 应 变 曲线的 非 线性 关系 的 计算 值往往偏 离 真实 强 度 较 远 因此 , 如果 同时 测 量 应 变和 载 荷 研 究非 线性 行 为 。

14、, 对弯 曲试 验 是 非常 有 用 的 应 力一 应 变 曲线不 同 ( 弯矩 M 高 度 为 h 。 在 F R M 弯 曲试 验 中 出 现 的 另 一 个 较 为 复杂 的 问题 是 拉 伸 和 压 缩 状 态 因 此 这 使 在 中轴 位置 的 确定 上 的不 唯 一 性 增加 , 对 于 一 个 承 受纯 弯 曲 , 宽 度 为 d 的横 梁 0 , 控制其 力学 行 为 的方 程 为 : l J:c F d · e “ ( 2 M . 亩 万 a = 二 又瓦 1 二瓦 户 J: “ “ d “ c ( 3 : 其 中 函数 F 由下 列关 系 决 定 F (e 。 。

15、 ( 4 “: a 和 的 关系 通过 精确 测 定 材 料 在 压 缩和 拉 伸 状 态 下 的 应 力 一应 变 行 为 来确 定 , 。 。 和 “。 分 别 代 表弯 曲试样 弯 曲梁 的 下 部 ( 拉伸 和 上 部 ( 压 缩 的拉 伸 应 变 据 经 典理 论 分 析 而 来 具 有 一 定 的近 似 性 间 的关 系 总之 , 虽 然 方程 ( 2 和 ( 3 是 根 “ 但根 据方 程 ( 幻 ( 4 , 可 以定 量 计 算 M 和 , T之 对 于 任 意一 个 。 e , , 相 应 的 值可 以 从方 程 ( 2 和 ( 4 中 求 出 、 “. 这 样M 值 可 以

16、 直 接方 程 ( 3 计算 出 来 , 如 果在 几 个弯 曲试 验 中测 定 M 。 。: 和 值 , 利用 方 程 ( 2 和 ( 3 可 以预 测 材料 完 整 的应 力一 应 变行 为 实际过 程 中 M 二 , : 根 据 实验 数 据 可 以建 立 函 数 P 和 Q 1 P(。 。 = Q(e l ( 5 。: : 在 方程 ( 中对 求导 可 以 得 到 2 F ( 。i = F( , 。 Q 尹( : 。, 。: i , ( 6 对 方程 ( 3 求 导 bh F ( , : 然后 再代 入 方 程 ( 可 以 得 到 6 。: = e 一 P Q ( 。: , ( + 2

17、 1 一 , P Q 尹( 。 ( e ( 7 利用 实验 测 得 的值 可 以 计 算 方 程 ( 7 的 右 边 从而 可 以 提供 确 定在 拉 伸状 态 下应 力 一 应 变 。 曲线 的 F ( : , 。 决 定 压 缩状 态 下 应 力一 应 变 曲 线 的 F ( 可 直 接 从 方 程 ( 6 中 得 到 , 。 , 因 为 此 时 , F ( 。: 已 知 而Q ( 了 。、 可 由 实验 值 中获 得 。 应 该 指 出 的 是 这种 估 计 材 料在 拉 伸 和 压 缩 状态 下 应 力一应 变 行 为 的方法 存 在 着 由 于 采 用 经 典 理 论 带 来 的误

18、差 和 数 学处 理 过 程 中所产 生 的 不可 避 免 的误 差 全代 替 单独 的单 轴 拉 伸 和压 缩试 验 抗 弯试 验 除 了 测 定 弯 曲性 能 外 , 。 因此 , 这 种方 法不 可 能 完 。 , 目前 人 们 已 经 开 始 注意 这 些误 差 所 带来 的 影 响 目 前不 仅 用 于 测定 杨 氏模 量 。 、 而 且 用 于 测 量 纤 维 增强 的 金 属 基 复合 材料 的 横 向性能 裂 , , ( 但 需要 注 意加 工 边 缘 的 损 伤 必 须 腐蚀 掉 以 避 免 引 起 过 早 断 另外 , 它也 于 长 度 / 直径 比 较小 的 梁 的剪 切

19、 强度 的 测量 l J , , 例 如 在 三 点弯 曲试 验 中 。 , , 剪 切 应 力在 加载 位 置 两 侧 某 个 位 置 达 到最 大 值 最 大拉 应 力与最 大 剪 切 应 力 的 比 值 正 反 于梁 在 三 点弯 曲试 验 中 , 的跨 度 与高 度 比 因 此 可 以通 过改 变 跨 度 与高 度 比 以 影 响 断裂 方式 : 用 于 计 算 最 大 剪 切 应力 的 传 统 公 式 为 瑞 二 几石 万 3P 其 中 P 为 载荷 非 线 性关 系 的情 况 。 但 这 一 公 式 不 适 用 于 加 载 点附 近 的 有局 部 效 应 和应 力 一应 变 关 系

20、 出 现 另外 , 。 在 树脂 基 复 合材 料 的检 测 中 发现 。 6 , 由 于 加 载 点 附近 的 压 缩 翘 。 曲 , 很 难 适 用 于 短 梁 的剪 切 试 验 , 三 点 弯 曲 试 验是 测量 纤 维 增 强 材 料 中 层 间 剪 切 强 度 的 珑 本 方法 它 可 以 适 用 于 弯 曲与 剪 切 强度 比 大 于 1 的任 何 形 式 的 材 料 0 , ( 7 硬 度 的测 试 复 合材 料 中 硬 度值不 论 是常 规硬 度还 是显 微 硬 度 通 常多针 对金 属基 复 合材 料 而 言 如 , , 。 例 压 显 微硬 度实 验 已 经 用 于 测 定

21、 F R M 基 体 的 力学性 能 。 。 对P R M / W R M 。 , 常 规 硬 度 已 用来 检 在较 低 的 载荷 下 。 测 铝合 金 基 体 的时 效 行 为 痕 代 表性 较 差 . 。 但 是在 这 些 材 料 中 , , 硬 度 与载 荷很 有 关 系 , 在 硬度 试验 中 试 样 的表 面状态 及 残 余 应力对 结果 有很 大 的影 响 从 目前 的 22 . 研 究 和 发展 看 , 虽 然金 属 基 复合 材 料 中 , 。 , 硬 度 受载 荷 的 影 响 , , 但 是 对 一 种具 休材 料 , 在决 定 了 硬 度 与 载荷 的 关 系 之 后 选

22、 择 适 当的载荷 通 过 硬 度 可 以 研 究 增强 物 的 分 散均 匀 程 度 及 墓 体 组 织 均 匀程 度 1 . ( 本文 未完 待续 参 e K r i de r 考 Ma te n 文 r . 献 . K G o n a n , d Pre w K r u e o , K M o m p o 、i t C e i a l s V o l 4 . N o o w o s Yo r k it o , Ae a d o m ie i ! a , P: 。、s , 一 4 。7 e : 400 一450 o r 2 . Cl za m p i . A R : 罗 r W , H ,

23、 P r o e . Zn d I t C o n f . o n C mp a Mt o e e r I CC M I N w Y k , A IME 3 . 19 7 8 8 82 9 04 a H a . r r , i s 5 J Bo , a n d , Wi lk i: S J , s T E , e D 7 。 o ! p m 亡n t s i n t ho e S e 主n e o a n d T !, n o lo gy o f C o m p o 、i t o a Mt o r 主 !s 了de a n r C ODE M AC x, 8 5 : 。 匕 5 603 4 N

24、 o b le B P illp i H . a r r . J Ma t id g , e r Se i , xo s s r ; 20 . 2 15 。 2 一 s e 5 6 7 5 . o D C a a n d D a v o R T , W , B i C Jpn a . e r a m . . T . r a o s . J , 1986 : ; 55 7 00 : 12 3 7 16 . 130 . . Towat R j Ch a 5 a n , d Ya ma d a S R o r a n s . In s t , Me t , : los 6, 2 7 (9 : . o

25、 n d r a n G , g o r s H C 2 e Mt e s , l l kd 19 8 7 16 78 ( 7 525 532 . o u T n o r n 口 W A A , Ke lly P o w de r A , C o m p o 、i t a 10 3 5 , (3 : 18 7 2 0 6 9 10 r 1 一 2 13 14 15 10 . Sk i n e 入fo t , ll I . n t . 10 8 2 , r a n : e r o n , . 14 ( 3 , 144 ls , : 147 273 : . M mi . , a P , g o R

26、 A e Mt , T 1 0 5 7, . A Zs x Na r do o n o V C , S t r i fe 一 , J R V o J Ma t 2 . . Se i E l : , 1057 22 692 eoo n ee . G ir t s F e r IC C入 V l 工 D , l . L o 皿 d : e v i e r Ap pl ie d Se ie 1057; 33 0 339 . W e b t n M G , o t a ll T r s r e n e r r a n s 19 8 2 , r 13 A 1 5 1 1 15 1 9 . R a jo T im P - dr h a n R o ge St a , H C P o w de Me o r t a l l In t r , l g 8 6 15 . (e K : 3 07 400 : . o s o 、 e n ko , S gt h . o e , f Ma t r os