金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制_陳劍鋒.pdf

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1、第22卷第2期航空材料學(xué)報(bào)Vol.22,No.22002年6月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSJune2002金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制陳劍鋒,武高輝,孫東立,姜龍濤(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)摘要:復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制和強(qiáng)度預(yù)報(bào)一直是材料學(xué)的研究熱點(diǎn),因?yàn)檫@涉及到材料的組織設(shè)計(jì)問(wèn)題。以往的研究對(duì)于金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理有很多種說(shuō)法,而且提出了大量的模型,但迄今為止缺乏一個(gè)統(tǒng)一而完善的理論。本文總結(jié)分析了近年來(lái)有關(guān)金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制和一些相關(guān)的模型,并指出了這些強(qiáng)化機(jī)制的不足和以后的發(fā)展趨勢(shì)

2、。關(guān)鍵詞:金屬基復(fù)合材料;強(qiáng)度;強(qiáng)化機(jī)制;強(qiáng)化模型;材料設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TB331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-5053(2002)02-0049-05[1~3]復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制和強(qiáng)度預(yù)報(bào)涉及到相關(guān)的強(qiáng)化模型很多,最簡(jiǎn)單的就是是混合定律。材料的組織設(shè)計(jì)問(wèn)題,近年來(lái)一直是材料學(xué)的研根據(jù)混合定律,金屬基復(fù)合材料的流變強(qiáng)度可以究熱點(diǎn)。金屬基復(fù)合材料尤其是顆粒增強(qiáng)金屬基表達(dá)為:復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制極其復(fù)雜,雖然提出了很多Rc=RmVm+RpVp(1)[4][5,6]強(qiáng)化模型,0如混合定律、剪切套模型、球化式中:Rc-復(fù)合材料的強(qiáng)度;[7][8,9]模型、Esh

3、elby連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型、有限元Rm-基體的強(qiáng)度;[10]分析數(shù)學(xué)模型等,但迄今為止缺乏一個(gè)完善的Rp-增強(qiáng)體顆粒的強(qiáng)度;理論。概括地講,顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制主Vm,Vp-基體、增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)。[11]要有以下幾點(diǎn):1材料受載時(shí),增強(qiáng)體對(duì)基體利用混合定律預(yù)測(cè)的強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度值差異變形的約束或?qū)w中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙產(chǎn)生的強(qiáng)很大,特別是在高體積分?jǐn)?shù)時(shí)。主要原因是因?yàn)榛饔?o基體向增強(qiáng)體的載荷傳遞;?增強(qiáng)體混合定律沒(méi)有考慮諸如增強(qiáng)體的形狀、空間分布加入基體,由于基體和增強(qiáng)體熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)等與組織有關(guān)的因素對(duì)材料性能的影響。此外,致材料內(nèi)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力以

4、及由于熱殘余應(yīng)力釋對(duì)于增強(qiáng)體形狀不規(guī)則的復(fù)合材料,混合定律的放導(dǎo)致基體中產(chǎn)生位錯(cuò)或基體加工硬化;?基體等應(yīng)變假設(shè)也不成立。因此該模型預(yù)測(cè)的流變應(yīng)與增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合狀況及界面附近基體的力通常是正確值的上限。微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。關(guān)于上述強(qiáng)化機(jī)制的相對(duì)剪切滯后模型是根據(jù)載荷在基體與增強(qiáng)體界作用程度還必須根據(jù)具體材料和材料變形不同階面上傳遞的機(jī)制建立的。剪切滯后模型尤其是段來(lái)確定。目前金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制尚不Nardone和Prewo的改進(jìn)剪切套模型[6]可能是最明確,仍存在爭(zhēng)議,一般認(rèn)為主要有基體和增強(qiáng)體成功的一個(gè)[12]。在改進(jìn)剪切滯后模型中,考慮到之

5、間的載荷傳遞、位錯(cuò)強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、了載荷從基體傳遞到顆粒的過(guò)程中的主拉伸應(yīng)力細(xì)晶強(qiáng)化、加工硬化、模量強(qiáng)化等。和剪切力。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度可由[6]下式計(jì)算出:1增強(qiáng)體承載與載荷傳遞Rcy=Rmy[Vp(s+4)P4+Vm](2)式中:Rcy-復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度;金屬基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化機(jī)制是載荷從基Rmy-基體的屈服強(qiáng)度;體向增強(qiáng)體的傳遞,增強(qiáng)體是載荷的主要承擔(dān)者[15],所以載荷傳遞機(jī)制是很重要的強(qiáng)化因素。Vp,Vm-增強(qiáng)顆粒、基體的體積分?jǐn)?shù);s-增強(qiáng)體的長(zhǎng)徑比。收稿日期:2001-09-21;修訂日期:2002-01-21由該模型計(jì)

6、算所得的屈服強(qiáng)度值比實(shí)驗(yàn)所得[6]基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50071019)約大10%,而傳統(tǒng)的剪切滯后模型預(yù)測(cè)值比實(shí)作者簡(jiǎn)介:陳劍鋒(1977-),男,碩士研究生。驗(yàn)所測(cè)的要低得多。50航空材料學(xué)報(bào)第21卷[21]2基體中的位錯(cuò)強(qiáng)化軸的,則強(qiáng)化效果可以用下式預(yù)測(cè):R=2GbPL(4)在金屬基復(fù)合材料中,由于基體的熱膨脹系其中L為顆粒間距數(shù)一般要比增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)大許多,因而在L=0.6d(2PPV1P2f)(5)制備和熱處理過(guò)程中均可在基體材料中產(chǎn)生塑性[2]而且魏建鋒等的研究結(jié)果并不符合這種機(jī)制。[13~15]變形而形成高密度位錯(cuò),導(dǎo)致強(qiáng)

7、化。位錯(cuò)強(qiáng)這表明Orowan并不能完美解釋復(fù)合材料的強(qiáng)化化被認(rèn)為是MMCs的一種重要的強(qiáng)化機(jī)制。位機(jī)制。錯(cuò)強(qiáng)化的作用取決于增強(qiáng)體的尺寸和體積分Ramakrishnan綜合了增強(qiáng)體承載和基體中[13,15~18]數(shù)。目前,大都借用描述彌散強(qiáng)化合金硬位錯(cuò)強(qiáng)化的作用,提出了球化模型[7]。它把復(fù)合化機(jī)制的位錯(cuò)模型。多數(shù)研究者過(guò)多地考慮因增材料分為如圖1[7]所示的三個(gè)區(qū)域:彈性增強(qiáng)體、強(qiáng)體和基體熱膨脹系數(shù)不同在基體中產(chǎn)生的初始周圍的基體塑性區(qū)和外圍彈性區(qū)。位錯(cuò)密度分布的作用,較少考慮變形過(guò)程中位錯(cuò)[19]的行為。位錯(cuò)模型主要包括:(1)Orowan模型;(2)林

8、位錯(cuò)硬化模型;(3)彈性栓模型;(4)沖孔模型。Orowan模型認(rèn)