碳化硅颗粒增强铝基复合材料的动态力学性能

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的动态力学性能

与纤维增强金属材料相比，增强金属材料的特点是材料的各向异性小，材料形成方便。近年来，它在国内外得到了迅速的发展。其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)的研究尤为活跃。这种材料比铝合金具有更高的比刚度、比强度,同时还具有耐磨损、高温性能好等优点,能用传统的金属加工技术和设备进行制备和加工,具有较高的竞争力,在航天、航空、汽车制造等领域里的应用日益增多,国外已出现SiCp/Al复合材料的铸锭商品及其各种型材和构件。SiCp/Al与大部分材料相似,其动态力学性能与静态力学性能有很大差异。目前,SiCp/Al复合材料力学性能的研究,大多局限在准静态加载条件下进行。对这类材料的动态力学性能研究开展甚少,而这类材料在工程实际应用中,常常处于动态加载条件下,所以对其动态力学性能的研究就显得十分重要。本文试图在应变率0.002s-1～1000s-1范围内对SiCp/Al复合材料进行静、动态拉伸试验,并结合冲击拉伸加卸载试验和冲击拉伸复元法试验,探讨应变率对复合材料力学性能的影响,并在此基础上建立SiCp/Al复合材料应变率相关的一维本构模型。1可弯性材料在不同应变率下的应力应变曲线特征试验用SiCp/Al复合材料采用复合铸造法制备,基体选用铸造性能良好的ZL104铝合金,组份(重量):Si8.0%-10.5%,MgO.17%-0.3%,Mn0.2%-0.5%,杂质1.6%,其余为Al。SiC颗粒的大小为10μm,体积含量为10%。铸造后材料被轧制成1.5mm×50mm×120mm的板材,并淬火时效处理(T6)。在自行研制的旋转盘式杆-杆型冲击拉伸试验装置上,通过改变入射脉冲的方法对SiCp/Al复合材料进行了应变率分别为150s-1,500s-1,1000s-1的三组冲击拉伸试验。图1为原始脉冲信号。依据一维应力波理论,试件中的应力σ(t)、应变ε(t)和应变率ε(t)可以分别表示为式中A0和L0为试件试验段的横截面积和长度,C0、A和E分别为连接试件两端的输入杆和输出杆的波速、横截面积和模量,εi(t)为输入杆上的应变片测得的信号,εt(t)为输出杆上的应变片测得的信号(如图1所示)。为了便于对SiCp/Al复合材料动态力学性能与静态力学性能进行分析比较,还对SiCp/Al复合材料在准静态条件下进行了单向拉伸试验。试验是在岛津DS-5000试验机上进行的,加载速度为0.6mm/min,相应应变率为0.002s-1。材料在各组应变率下的试验结果的平均值及其相对误差见表1。图2为SiCp/Al在不同应变率下的应力应变曲线。从这些曲线中可以看出在整个加载过程中,材料并没有出现明显的屈服点,本文依据工程惯例定义σ0.2为复合材料的屈服应力。从表1和图2中还可以发现,复合材料的拉伸强度(σb)和屈服应力(σs)均随着应变率的提高而显著增加,具有明显的应变率强化效应。图3给出了σb,σs与logε的关系,在应变率很低时,复合材料的拉伸强度、屈服应力随应变率的增加而缓慢增加,当应变率很高时,随着应变率的增加,复合材料的拉伸强度和屈服应力显著增加。从图3中还可以看出,曲线和近似平行,表明两者具有相同的应变率强化规律。根据修正的应变率强化模型,复合材料的拉伸强度、屈服应力与应变率的关系可以用如下形式的方程来表示式中的,σs0和σb0分别为应变率、参考应变率、参考屈服应力和参考拉伸强度;N为应变率强化系数;是特征材料由应变率不敏感区向应变率敏感区过渡的特征应变率,当时,材料对应变率比较敏感,当时,材料对应变率敏感性往往表现得不很明显。本文取参考应变率为,根据表1中的有关参数,可以拟合出以下的结果图3中的曲线为拟合结果,与试验点之间吻合得很好。从图2中我们可以看出,SiCp/Al复合材料的应力应变曲线类似于一般铝合金材料的应力应变曲线,具有弹塑性的变形特征,但是分析判断材料是否具有塑性特性必须对材料进行加卸载实验,验证材料卸载后是否存在残余应变。图4是SiCp/Al复合材料在两种应变率下加卸载试验的应力应变曲线,从图4中可以看出,SiCp/Al应力应变曲线加载时呈非线性且无明显的屈服点,随着应变的不断增加,应力逐渐趋于平坦,且不同应变率下的这段应力平坦线基本平行。材料卸载时按弹性规律卸载。这些特征说明材料是一种连续性屈服的弹塑性材料。正是因为这类材料有着与铝合金基体类似的特征而使得它的实际应用日益广泛。对于SiCp/Al这类连续屈服的材料,其应力应变曲线可用无明显屈服点的Ramberg-Osgood模型来描述其中σ0是屈服应力,E为初始弹性模量,M为应力指数,特征材料屈服后的硬化行为,α为常数,通常取为3/7。根据(8)式,材料的应力指数M可以表示为图5显示的是应变率对复合材料应力指数的影响,可以看出在冲击拉伸加载下复合材料的应力指数曲线近似平行,并且可以看成一个常数,而准静态拉伸的应力指数与动态拉伸时的应力指数相比降低了17.8%,这主要是高应变率加载过程中绝热温升导致材料软化的结果。通常,在准静态加载条件下,由于变形速度很慢,不可逆功产生的热量很快便为周围环境吸收,试件温度基本保持恒定,整个过程可以近似看成一个等温过程。而在冲击拉伸加载条件下,整个加载过程的时间很短(几十个微秒),不可逆作功产生的热量不易为周围环境吸收,必然有绝热温升产生并导致材料软化,因此冲击拉伸试验所获得的高应变率应力应变曲线中同时包含有应变硬化效应、应变率强化效应和绝热温升引起的热软化效应,且这三个效应是耦合在一起的。通常,应变硬化效应与应变率强化效应的耦合是通过不同应变率的试验来解耦的;而软化效应与前两个效应的解耦则是非常困难和复杂的。为进一步研究SiCp/Al在高应变率下变形的物理机理,本文对复合材料实施了冲击拉伸复元法试验,以获得材料在高应变率下的等温应力应变曲线。基本试验过程如下:(1)用短脉冲对材料实施冲击拉伸加卸载试验;(2)让试件冷却至室温;(3)继续重复上述过程直至材料破坏。图6显示的是用复元解耦热力耦合的过程,其中曲线1为SiCp/Al在准静态加载下的应力应变曲线,可以看成是一条低应变率下的等温应力应变曲线,曲线2为冲击拉伸长脉冲作用下应变率等于150s-1时的应力应变曲线(绝热),虚线为同一试件在短脉冲载荷作用下的应变率等于150s-1的多次冲击拉伸加卸载曲线,每一条加卸载曲线都是在前一条加卸载曲线的基础上,让试件温度冷却至室温后,重新实施短脉冲加载得到的;曲线3是虚线中一系列屈服点的连线,由于材料在弹性段的变形是可逆的,没有非弹性功转化为热,在屈服点材料的温度基本不变,因此曲线3可以认为是一条应变率为150s-1的等温应力应变曲线。曲线2和曲线3具有相同的应变率,这两者的差异主要归结于绝热温升的影响;曲线3和曲线1均为等温应力应变曲线,两者的差别主要归结于应变率的影响;从图6中可以看出,不同应变率下的等温应力应变曲线是平行的,说明在解耦出热力耦合效应后,材料在不同应变率下具有相同的应变硬化特征。2自篆书自篆书自立体系的自开放模型Eshelby’s等效夹杂理论已被广泛运用于确定两相系统之间的相互作用,在此基础上,本文将建立一个自洽模型来预测不同应变率下颗粒增强金属基复合材料的变形。2.1sic弹性模量的确定在宏观均匀且各向同性的复合材料中,植入一球形夹杂SiC颗粒,由于夹杂SiC颗粒体积很小,而复合材料中颗粒数量非常之大,所以夹杂的植入不会引起复合材料中颗粒体积百分含量的改变,也不会对复合材料的宏观力学性能产生影响;此外,又由于这个夹杂颗粒可以置于复合材料中的任意位置,所以夹杂颗粒可以代替复合材料中任意一个SiC颗粒,体现了复合材料中SiC颗粒的整体性质。根据Eshelby等效夹杂模型,在均匀拉应力σA的作用下,夹杂内SiC颗粒的应力可以最终表示为:其中σA为均匀外加应力,Ep和Ec分别为SiC颗粒和复合材料的弹性模量,为Eshelby张量。同样在复合材料中也可以植入一铝合金夹杂,代表复合材料中基体的整体性质。类似的,夹杂区内的应力也可以表示为以下形式其中Em为铝合金基体的弹性模量。(10)和(11)应满足体积混合率,即这里Vm和Vp分别是基体和增强相的体积含量。将(10)式和(11)式代入(12)式得,取弹性段的泊松比为1/3,对球形夹杂材料,等于7/15。方程(13)即可表示为将Vp=10%,Vm=90%,Em=78GPa,Ep=340GPa,代入方程(14)中,即可获得复合材料的模量Ec=89.34GPa,和试验结果吻合。2.2应力应变控制策略随着外加载荷的进一步增加,复合材料中的铝合金基体开始屈服,复合材料也相应进入塑性变形阶段,此时增强相和基体的应力可以用增量形式的方程(15),(16)来控制。上式中的Ep、Em和Ec分别为增强相、铝基体和复元材料的应变硬化率,也由弹性阶段的8/15改变为2/5(塑性段所对应的泊松比为1/2)。因而在塑性变形阶段方程(14)可以表示为由(17)式即可求解出复合材料在不同加载阶段的应变硬化率。整个弹塑性计算流程(图7)如下2.3应力应变关系SiCp/Al金属基复合材料的应变率相关性主要是由铝基体的应变率相关性引起的;在整个加载过程中,SiC颗粒被认为是应变率无关的,且始终满足线弹性的应力应变关系;铝合金基体是应变率相关的,且具有良好的塑性。本文选用修正的RambergOsgood模型来描述铝合金基体的幂次应变率强化和幂次应变硬化行为其中σ*为基体在参考应变率下的屈服应力。表2为计算模型中各组份材料的力学性能,根据计算流程图,本文对SiCp/Al在应变率为0.002s-1,150s-1,500s-1和1000s-1的力学性能进行了模拟,计算结果与试验结果的比较如图8所示,两者吻合得很好。3sicp/al应变曲线特征1.SiCp/Al金属基复合材料是一种应变率敏感材料,在冲击拉伸加载条件下具有应变率强化效应和高速韧性现象。对于某一确定温度,利用热起伏的最大能量作为热激活能的位错向前运动所产生的应变速率为特征应变率,当时,由于位错运动能充分利用热起伏提供的能量,材料的拉伸强度(σb)和屈服应力(σs)随应变率的增加而缓慢增加;当时,外加应变速率强迫位错运动速率增加,不能充分利用热起伏提供的能量,要让位错越过势垒就需增加外力,宏观表现为拉伸强度(σb)和屈服应力(σr)随应变率的增加而迅速增加。SiCp/Al金属基复合材料的特征应变率为29s-1。2.冲击拉伸试验获得的SiCp/Al应力应变曲线是一条绝热应力应变曲线,由于曲线中包含有热