金属基复合材料的力学性能
金属基复合材料的力学性能
海驴
以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。按所用的基体金属的不同，使用温度范围为350～1200℃。其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。例如碳纤维增强铝复合材料其比热度3～4×107mm，比模量为6～8×109mm，又如石墨纤维增强镁不仅比模量可达1.5×1010mm，而且其热膨胀系数几乎接近零。
金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、美基、铜基，钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。由于这类复合材料加工温度高、工艺复杂、界面反映控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂及复合材料，应用范围较小。
近年来,金属基复合材料以其高的比强度、比模量、较好的耐热性能,良好的抗蠕变、抗疲劳、抗磨损性能,以及低的热膨涨系数受到了广泛的重视,在航空航天及汽车工业等领域有着广阔的应用前景。颗粒增强金属基复合材料被认为是制造汽车发动机连杆、活塞及刹车片等零件的优良材料;纤维增强金属基复合材料已被用来制造航天飞机轨道器主骨架、制动器支撑架及火箭发动机壳体等[1,2]。但是,金属基复合材料在高温制备的冷却过程中由于组分间热膨胀系数(C T E)的差异,会产生较大的热残余应力,通常基体相为拉应力,增强相为压应力。当C T E差异较大时,即使温度变化很小,也会在基体中产生较大的微观热应力,在界面形成应力集中。大量的研究表明,复合材料中的热残余应力对其力学性能有至关重要的影响。例如,存在较高残余应力的复合材料中,基体中亚晶粒的尺寸明显低于未增强基体合金中亚晶粒的尺寸,而位错密度却比未增强基体合金高10~20倍;另外,复合材料由于残余应力的存在,导致在
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远低于0. 2的应力下, 应力应变曲线便开始偏离线性关系, 复合
材料的比例极限接近或略低于基体合金;同时,复合材料中的残余拉应力会导致复合材料压缩屈服强度较拉伸屈服强度高.
金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有:(1)基体与增强体之间界面结合良好;( 2)温度变化;( 3)增强体与基体之间的热膨胀系数差异。除了与上述因素有关外,热残余应力还受增强相体积分数、形状和长径比等因素的影响。当增强相的体积分数增加时,增强相间的相互作用增大,基体中热残余应力将增加。增强相的形状和长径比主要通过影响热应力松弛情况来影响残余应力的大小优秀共产党员主要事迹
对于金属基复合材料热残余应力的分析主要通过实验研究
和模拟分析的方法。而在实验研究中,以前的有损分析,包括钻孔法、环芯法等,由于对材料的破坏性,几乎已经不用,取而代之的是无损分析, 例如X 射线衍射和中子衍射等。
理论分析材料的残余应力有两种方法一种是利用简化同轴圆柱模型,采用力学基本公式,再加上边界条件和变形协调方程进行近似的理论推导。另一种是计算机有限元模拟复合材料中热残余应力的分布状况。理论分析的方法能借助现代计算机快速运算能力方便、快捷地模拟出复合材料的热残余应力,特别是对于实验测定难以实现的热残余应力分析,例如复合材料界面处的应力分布。但在计算过程中, 理论分析的方法都对边界条件进行了简化和近似处理, 因此, 所得结果与实际应力分布情况仍然有一定的差距
金属基复合材料由于其组成的特点,增强体和基体之间的热膨胀系数(C T E)的差异,在由高温冷却下来时,必然会在材料内部产生热残余应力。可以通过X射线衍射、中子衍射法、基片弯曲法、R a m a n光谱法、选择性基体腐蚀法和电子莫尔波纹与顶出实验相结合的方法对金属基复合材料的热残余应力进行定量测量。在实际测量过程中,作者建议将2种或3种方法结合使用,这样就会减少由于实验的系统误差所带来的结果偏移, 而得到更准确的测量结果。同时也可以通过理论分析对复合材料中所存在的热残余应力进行计算和模拟。尽管如此,仍存在着不少问题,例如最受关注的复合材料界面微区应力测量方法和分析还有待进一步完善;理论分析中的对各种材料所提出的分析模型及其边界条件的简化还有待斟酌和完善。热残余应力对于金属基复合材料的组织结构和力学性能有重要影响,但是由于复合材料内部热残余应力对其宏观力学性能影响的复杂性,目前对其规律和机制的认识还缺乏系统性,需要材料工作者进一步研究
金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着其价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。为此全
球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。笔者阅读了大量相关文献，进而综述了近些年来国内外学者对金属基复合材料的研究，具有一定的现实意义。
一、颗粒随机分布金属基复合材料有效性能研究
九十年代中期Povirk, Gusev等人就研究证明了可以用一个有限体积的代表体元来代替整体复合材料，模拟其细观结构，从而建立复合材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系。
随着计算机技术的高速发展，数值分析方法在复合材料力学分析中成为不可缺少的工具，在做计算数值模拟时，建立合适的数学模型，是进行数值模拟计算复合材料等效性能的基础。
基于有限元法的多尺度等效性能计算是目前一种行之有效的研究复合材料细观结构与宏观力学行为之间关系的重要方法。采用这种方法的前提是建立复合材料的有限元模型，包括随机颗粒分布区域的几何建模和网格剖分，然后才能进行多尺度计算。
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逃之夭夭的意思对于复合材料等效性能计算的数值方法，国内外已经发展了名目繁多的各种数值方法。一般来说，可以分为反分析法、直接分析法。其中反分析法实质就是根据现场观测结果，来反演复合材料力学参数。反分析法主要依赖于材料程的实测位移、本构模型以及材料参数的假定。由于现场观测资料的获取受客观条件影响和对复合材料认识上的不足，往往造成模型和材料参数假定与实际差异很大，因而该方法在实际应用中遇到了一些困难。为此，人们试图选择另一种途径---直接分析法来预测复合材料的力学参数。由于离散元元方法没有很好解决对复合材料离散后的计算结果的误差，因此基于离散单元法计算宏观力学参数的研究较少目前主要是基于有限元法的数值分析法，其计算过程是首先建立颗粒材料的统计模型，然后模拟出不同尺度的复合材料"试件";这样得到的复合材料"试件"，可以视为由基体和增强颗粒两部分组成，其力学参数可以在实验室分别确定，然后应用有限元方法进行分析，进而得到颗粒统计力学参数即。这一方法计算结果的正确性取决于颗粒统计模型的正确性以及有限元算法的合理性，这一过程虽然有误差，但是误差不会比原位实测更大。该方法的不足之处在于为避免尺寸效应，模拟不同尺度"试件"时，增加了计算成木，并且当计算尺度增大时，"试件"内的颗粒数目明显增加，给有限元的剖分和计算带来了困难。
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还有学者基于有限元方法，基于等效观点，对颗粒增强复合材料的等效性能进行了研究，即根据一定的等效原则，宏观地考虑颗粒对材料力学特性的影响，将整个颗粒增强复合材料均匀化、连续化，然后用有限元计算得到等效力学特性.按等效方式来分，主要有材料参数等效法、能量等效法等，这些等效方法有其适用的一面，但仍有一定局限性，例如等效体的尺寸效应问题等.关于材料参数的均匀化理论.作为一种研究复合材料宏观性质的新方法，数学家们已进行了大量的研究，例如 A.Bensousson,J.L.Lion、等针对小周期结构问题的渐进分析，给出了均匀化材料系数的概念；O.A.Oleinik等对具有小周期结构的均匀化理论和一阶渐进分析理论进行了深入研究；T.Hou 和陈志明等在此基础上给出了一阶渐进展开有限元的理论估计；崔俊芝等针对小周期结构提出了双尺度祸合算法。针对具有对称性的基本胞体给出了高阶渐进展式和有限元估计，并把此方法运用到工程计算中，从而使的均匀化从理论分析进入了数值计算。阶段和实际应用阶段，使得微观构造十分复杂的非均质材料的宏观力学参数计算成为现实，并且给出了计算周期性编制复合材料的等效力学参数的双尺度方法。