【正文】 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 1 1 引言 研究的目的及意義 金屬基復(fù)合材料是在樹脂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最初在 60 年代初期開始有所發(fā)展，但由于當(dāng)時制備技術(shù)等各種因素的制約，并沒有引起廣泛的注意。進(jìn)入到 70 年代后期，由于高新技術(shù)對材料的各種性能要求日益提高，金屬基復(fù)合材料以其優(yōu)良的性能引起各國政府、工業(yè)界的重視，被譽(yù)為先進(jìn)復(fù)合材料，與傳統(tǒng)材料相比較，它具有重量輕、高比彈性模量、高比強(qiáng)度、耐疲勞、耐磨損、低能耗、低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，具有在軍事、航天航空、汽車、機(jī)械、電子等各種領(lǐng)域應(yīng)用的可能性 [1]。 在高溫下制備復(fù)合材料時，基體與增 強(qiáng)體之間極易發(fā)生有害的界面反應(yīng)，而合適的界面涂層不但能有效阻擋這類反應(yīng)，而且還可以對復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力的分布起到一定的調(diào)節(jié)作用 [2]。在復(fù)合材料使用過程中，由于基體和纖維性能的差異，熱殘余應(yīng)力的存在不可避免，它對復(fù)合材料的力學(xué)性能有著重要影響，有時甚至?xí)?dǎo)致基體開裂，因此受到人們的高度重視 [3]。由于材料不同且具有不同力學(xué)性能的界面層，其厚度和性能會對復(fù)合材料的有效性能產(chǎn)生劇烈的影響 [4]，所以合適的界面厚度使得基體與基體的界面結(jié)合適中，有利于材料性能的提高 [5]。 研究表明，金屬基復(fù)合材料的內(nèi)部殘余應(yīng)力 對復(fù)合材料的力學(xué)性能具有重大影響 , 為了預(yù)測金屬基復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小及影響，許多學(xué)者都致力于研究金屬基復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的理論計算模型 [6]。 廣義地說，殘余應(yīng)力是一種普遍存在的現(xiàn)象，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因也是多種多樣的。金屬基復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力產(chǎn)生必須具備的條件有： (1)基體與增強(qiáng)體之間界面結(jié)合良好； (2)溫度變化； (3)增強(qiáng)體與基體之間的熱膨脹系數(shù)差異 [7]。而這些簡化模型的界面層具有一定的厚度，界面結(jié)合的好壞由界面層材料力學(xué)性能來表征 [8]。 并且建立一些模型對于分析和理解熱殘余應(yīng)力的分布特征和變化 趨勢是非常用的 [9]。 幾年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元方法的快速發(fā)展，引發(fā)了數(shù)值模擬技術(shù)的熱潮，數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時問、節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，而且對研究殘余應(yīng)力對復(fù)合材料性能的作用規(guī)律、促進(jìn)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展都具有重大意義 [6]。因此全面了解復(fù)合材料殘余應(yīng)力的各種影響因素、殘余應(yīng)力狀態(tài)及分布規(guī)律，對復(fù)合材料的強(qiáng)度估算和壽命預(yù)測等具有重要的指導(dǎo)意義 [2]。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 2 研究現(xiàn)狀 盡管 金屬基復(fù)合材料 目前尚未獲得大規(guī)模應(yīng)用，但這些性能均可在一定范圍內(nèi)加以設(shè)計，必定存在著能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域， 會有更加廣闊的前景 [9]。隨著力學(xué)理論和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，金屬基復(fù)合材料的力學(xué)分析得到了很大進(jìn)步。在其力學(xué)模型方面，用有限元計算技術(shù)與力學(xué)和材料科學(xué)相結(jié)來進(jìn)行研究 [10]。又鑒于復(fù)合材料的成型工藝占其成本的 60%~70%，所以研究發(fā)展高效、省時、低能耗、設(shè)備簡單、能實(shí)現(xiàn)近似無余量成型的工藝方法是當(dāng)務(wù)之急 [11]。 殘余應(yīng)力決定了復(fù)合材料變形的特殊性， 大量研究人員對此進(jìn)行了深入的研究，并取得了重大進(jìn)展 [12]。 從有關(guān)文獻(xiàn)與資料可以得知，數(shù)十年來，美、法、俄、德、日等國家對金屬基復(fù)合材料殘余應(yīng)力的抑制與消 除技術(shù)上的理論研究一直非常重視，在實(shí) 際生產(chǎn)工藝中也達(dá)到了相當(dāng)高的工藝水平 [13]。對熱殘余應(yīng)力分布的影響分析中，我國權(quán)高峰等人進(jìn)行了彈塑性分析計算， 結(jié)果 表明單程變溫造成的微觀熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力其絕對值均沿徑向按指數(shù)或?qū)?shù)規(guī)律減小，而且受熱或冷卻時基體中的屈服首先發(fā)生在界面處，并逐漸向基體中擴(kuò)展 [14]。 王玉慶等 [15]對涂層在復(fù)合材料中的力學(xué)行為進(jìn)行了理論分析 ,指出界面殘余應(yīng)力是熱膨脹系數(shù)與彈性模量綜合作用的結(jié)果 ,高模量涂層在熱膨脹系數(shù)低時才能減小界面殘余應(yīng)力 ,而低模量涂層不論熱膨脹系數(shù)大小均能減小界面殘余應(yīng) 力 。丁向東等 [16]運(yùn)用軸對稱有限元法得出殘余應(yīng)力會降低拉伸過程中的應(yīng)力傳遞，加強(qiáng)壓縮過程中應(yīng)力傳遞， 使 復(fù)合材料室溫抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度。 馬志軍等 [17]以 SiC/Ti24Al11V為研究對象，分析了纖維體積分?jǐn)?shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系，得出 纖維體積分?jǐn)?shù)也會對殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。 國外對材料中熱殘余應(yīng)力的分析也有一些成果。諸如 Harris 等 [18]提出垂直于纖維方向的 熱殘余應(yīng)力模型，并假設(shè)纖維被埋在具有復(fù)合材料宏觀屬性的等效基體中，利用等效彈性模量得出接觸壓力與纖維組分之間的關(guān)系。 Nairn 等 [19]首先針對含有 均勻界面相的復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。 Jayaraman 等 [15]給出三種含有性能梯度界面的復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力分布。 Mitaka 等 [20]給出四相模型（纖維、界面相、樹脂、等效基體）。 Kim和 Mai等 [21]通過單絲三相模型建立界面相參數(shù)與纖維樹脂接觸壓力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。 當(dāng)下運(yùn)用計算機(jī)及有限元技術(shù)進(jìn)行計算仿真成為熱門，國內(nèi)外也將其運(yùn)用于中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 3 航空、電子和汽車等行業(yè)。 先以 CAD/CAM 技術(shù)為例，德國 COP— RA 系統(tǒng)能完成設(shè)計、成型工藝過程模擬、生產(chǎn)圖紙、成本計算、毛坯管理、計算機(jī)數(shù)控制造、質(zhì)量控制的整個過程的全 面的、集成化的軟件解決方案，具有獨(dú)特的成型過程模擬與優(yōu)化技術(shù)和高效率的成本計算功能。而國內(nèi)工作人員吸收了國外的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，也取得了一些成績 [22]。再以 CAE 技術(shù)為例，美國 DEFORM 仿真模擬的應(yīng)用將大大減少生產(chǎn)過程中不必要的流程．不但保證產(chǎn)品質(zhì)量．而且提高工作效益。國內(nèi)在塑性成形模擬軟件方面跟國際上相比還存在很大的差距，但也相繼開發(fā)一些軟件 [23]。例如我國三一重工泵送機(jī)械公司就利用有限元分析的方法指導(dǎo)開展工藝方法的研究，公司主要仿真焊接變形情況 [24]。 鈦基復(fù)合材料的 熱殘余應(yīng)力 熱殘余 應(yīng)力產(chǎn)生的原因 在金屬基復(fù)合材料的制備和使用過程中，熱殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和存在是不可避免的，并且成為金屬基復(fù)合材料的一大本質(zhì)特征 [26]。究其熱殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，一般不外乎以下幾個：（ 1）由于溫度梯度引起的應(yīng)力，即溫度梯度誘導(dǎo)熱殘余應(yīng)力；（ 2）在均勻溫度下由于基體金屬和纖維熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱殘余應(yīng)力，這是由于復(fù)合材料組分的本質(zhì)屬性所決定的；（ 3）由于界面反應(yīng)或是基體相變引起復(fù)合材料局部體積發(fā)生變化，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于（ 1）和（ 3）所產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料的影響較小，并且通過適當(dāng)?shù)拇胧┛梢詼p 小甚至避免，所以，在目前的大部分研究當(dāng)中，熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱殘余應(yīng)力是人們關(guān)注的重點(diǎn)。 有限元分析表明，一般在界面附近，基體處于較大的環(huán)向拉應(yīng)力和徑向的壓應(yīng)力狀態(tài)（沿纖維方向?yàn)檩S向），所以，熱殘余應(yīng)力對界面的影響最大，進(jìn)而通過界面影響復(fù)合材料的性能。在復(fù)合材料的界面處，常會發(fā)現(xiàn)一些垂直于界面的裂紋，特別是纖維距離較近時，顯然，界面處的環(huán)向殘余拉應(yīng)力是其產(chǎn)生的直接原因之一 。另外，界面附近的環(huán)向應(yīng)力有突變，應(yīng)力梯度非常大， Warrier 等人[27]研究表明，在橫向載荷作用下，應(yīng)力突變點(diǎn)將會導(dǎo)致裂紋萌生和界 面脫粘。 A. Hutson[28]等人指出，徑向熱殘余應(yīng)力的大小直接影響復(fù)合材料中纖維和基體間界面剪切強(qiáng)度的大小，由于熱殘余應(yīng)力的大小隨溫度變化明顯，所以界面剪切強(qiáng)度也會受溫度變化的影響，進(jìn)而影響復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能。熱殘余應(yīng)力對復(fù)合中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 4 材料力學(xué)性能的影響非常復(fù)雜，并且一般不會直接作用，而是通過其它條件影響復(fù)合材料。 另外，熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度以及橫向拉伸性能也有不同程度的影響。由于考慮了熱殘余應(yīng)力的影響，使人們對復(fù)合材料的力學(xué)性能有了更清楚的了解。 熱殘余應(yīng)力對 復(fù)合材料 性能的影響 復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力大于基體材料屈服強(qiáng)度時，殘余應(yīng)力部分松弛，基體合金中產(chǎn)生高密度位錯，從而使復(fù)合材料屈服強(qiáng)度提高。研究表明， SiC／ AI復(fù)合材料殘余應(yīng)力使界 面附近基體位錯密度提高 1～ 2 個數(shù)量級 [29]。 這種情況下，有限元模擬得出的殘余應(yīng)力值高于實(shí)際值，為殘余應(yīng)力上限。張國定 等 [30]測定了SiC／ Al 中單根纖維周圍的硬度 分 布，界面附近基體硬度最大 (是無應(yīng)力狀態(tài)下的 4 倍左右 )，遠(yuǎn)離界面硬度下降直到基體合金原始硬度。這種小范圍內(nèi)力學(xué)性能的巨大變化，證實(shí)了界面附近區(qū)域高密度位錯的存在。 復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力對 橫向力學(xué)性能有重要作用。 M． M． Aghdam 等 [31]模擬了具有 C／ TiB2涂層的 SiC／ Ti基復(fù)合材料在橫向拉伸與壓縮時的力學(xué)行為，其纖維排布幾何模型 為四方排布模型。 他認(rèn)為復(fù)合材料橫向壓縮強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的 2倍左右，這是因?yàn)榛w楊氏模量低于纖維楊氏模量，橫向拉伸載荷作用下基體沿軸向的收縮大于纖維沿軸向的收縮，導(dǎo)致界面受剪，且受剪方向與熱膨脹系數(shù)差異引起的界面殘余剪切應(yīng)力方向一致，從而引起界面剪切強(qiáng)度降低、纖維脫粘，復(fù)合材料提前失效；材料受壓時。情況正好相反。所以，界面殘余剪切應(yīng)力對弱結(jié)合界面的橫向拉伸強(qiáng)度不 利。 另外，由于 C 的強(qiáng)度低于 TiB2，因此在拉伸載荷達(dá)到 250MPa 失效首先發(fā)生在 f／ c 界面，當(dāng)載荷增加到 440MPa 后， c／ m界面正方形對角線方向開始脫粘。原因在于 TiB2 的楊氏模量與熱膨脹系數(shù)都較高，從而在 c／ m 界面產(chǎn)生了很高的周向拉伸應(yīng)力和徑向壓縮應(yīng)力，但周向與徑向殘余應(yīng)力在垂直于纖維方向的平面內(nèi)具有明顯的各向異性，界面正方形對角線方向周向拉伸應(yīng)力最大，徑向壓縮應(yīng)力最小，且當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)大于某一臨界值后，此處徑向應(yīng)力甚至變?yōu)槔鞝顟B(tài) [32]。 隨著復(fù)合材料界面徑向殘余壓應(yīng)力的減小，界面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度減弱，對 弱結(jié)合界面橫向強(qiáng)度不利。 復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力的分析方法 對于金屬基復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的分析主要通過實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析的方中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 5 法。而在實(shí)驗(yàn)研究中，以前的有損分析，包括鉆孔法、環(huán)芯法等，由于對材料的破壞性，幾乎已經(jīng)不用，取而代之的是無損分析，例如 X射線衍射和中子衍射等。 （ 1） X 射線衍射和中子衍射 利用 X射線和中子衍射對材料熱殘余應(yīng)力進(jìn)行測量受到廣泛關(guān)注，特別是 X射線衍射測量熱殘余應(yīng)力。 X射線應(yīng)力測定在理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及方法上已取得了很大的進(jìn)展，如 sin2ψ法的提出、ψ測角儀的發(fā)明和計算 機(jī)技術(shù)在儀器控制與 數(shù)據(jù)處理方面的普遍應(yīng)用等等，使其成為材料科學(xué)和工程技術(shù)上令人感興趣、重要的研究手段 [33]。中子衍射由于受中子源的限制，遠(yuǎn)沒有 X射線衍射應(yīng)力測量普及。但是由于中子具有大的穿透深度，中子衍射可以測量材料內(nèi)部一定深度的熱殘余應(yīng)力。 Rangaswamy等 對 X 射線衍射和中子衍射法測量復(fù)合材 料殘余應(yīng)變進(jìn)行了比較 。 表 11 是他們對 SiCf/Ti6Al4V 復(fù)合材料的基體分別采用 X 射線衍射和中子衍射方法進(jìn)行的熱殘余應(yīng)力分析結(jié)果 。 表 11 X 射線衍射和中子衍射法測量的復(fù)合材料基體中的殘余應(yīng)變（ /με） 物質(zhì) X 射線 誤差 中子 誤差 （ 105） 2396 177。 318 3022 177。 1134 （ 204） 2227 177。 539 2269 177。 421 （ 213） 2640 177。 312 2623 177。 85 （ 312） 1904 177。 424 2833 177。 103 （ 300） 2974 177。 321 2617 177。 99 從表中可以看出，在平面應(yīng)變測量過程中 X射線衍射和中子衍射在很大程度上保持了一致性。另外他們還利用中子衍射對所用金屬基復(fù)合材料中纖維的應(yīng)變進(jìn)行了測量，結(jié)果如表 12