材料蠕变性能影响的试验和理论研究

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万方数据
$% 期
岳珠峰等： 热处理对金属基短纤维复合材料蠕变性能影响的试验和理论研究
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“讨论” 一节中， 对此作了专门讨论。 另外一方面， 基体 在 ::;< 时极易蠕变而无法试验， 为了有限元计算， 仅 仅设 ::;< 基体蠕变率为 $; 倍的 =:;< 蠕变率，表 $ 已给出计算用的其它参数。
力分布的差别是明显的。 对热处理%， 几乎没有残余热应 力， 而热处理$的残余热应力却很高。 对计算结果详细分 析可知， 在纤维顶端的基体局部应力达到$ ;;; ?@- 以 （事实上， 上 基体的破坏应力不会大于$ ;;; ?@-） ， 如此 高的应力将会给基体带来很大的损伤。 步 & 为蠕变试验的加热阶段。 对于热处理 =， 与热 处理 $ 和 % 一样， 加热将在纤维和基体上产生热应 力， 但同时， 基体的蠕变将松弛这些应力， 其结果为在 步 & 结束时， 纤维和基体没有热应力， 图 & 也给出了 蠕变试验的纤维轴应力结果。 对于热处理 $ 和热处理 热处理残余的压缩应力和本步加速产生的拉热应 %， 力都将由本步基体蠕变而松弛， 结果为在步 & 结束 时， 所有的 = 种情况， 应力状态没有明显的差别。 步 : 为应力蠕变试验。 对于这 = 种情况， 在$个 过渡阶段后， 在纤维和基体中产生 $ 个较稳定的应力 状态， 该稳定的 = 种情况的应力状态没有明显的区别， 应力状态取决于受载方向。 本文讨论了 % 种特殊情况 （ ! A ;B和 ! A !;B） 示于图 &。 如果外载方向与纤维轴 （ ! A !;B） ， 纤维受拉； 如果外载方向垂直于纤 向一致 （ ! A ;B） 维轴向 ， 纤维受压。 详见文献 C # D 的分析。 !" $ 热处理和应力蠕变过程中的变形和应变分布 对热处理 $ 和热处理 %， 在步 $ 产生热膨胀， 但随 着在步 $ 和步 % 的基体蠕变变形， 该热膨胀将有所减 小。 图 : 给出了单胞的轴向位移， 在步 % 开始时， 单胞 模型在轴向略有收缩， 与应力状态一样， 热处理 $ 和 热处理 % 的差别始于步 =。 在步 = 中， 对于热处理 $， 因为试件在水中冷却， 基体来不及蠕变， 单胞快速收 缩， 在热处理 $ 结束后， 单胞在轴向有一个负的位移。 应强调， 尽管步 $ 和步 = 的温度变化是一致的， 但由 于基体的蠕变， 步 = 的净收缩量要大于步 $ 的净扩张 量。 与热处理 $ 不同的是， 热处理 % 在步 = 中有时间 进行蠕变， 从而使得在热处理后， 几乎没有残余变形，
万方数据
・ #$$ ・ 理 " 的差别不明显。
稀有金属材料与工程
!" 卷
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有限元模型—— — 单胞模型
为了使问题可解， 取含 / - 0 纤维的 ! 维单胞模型。
这种单胞模型意味着纤维理想也定常、 均匀和周期的 分布在基体中。 如此， 整个 112 的性能可由该单胞模 （ 含 / - 0 纤维和相应的基体 ） 型 描述。 图 ! 给出单胞模 型， 中心为 / - 0 纤维。 该单胞模型能够唯一地由 ! " #， 根据试件取向， 单轴应力方 $ " %& ’ " % !个参数表示。 向位于 ()* 平面内， 即位于纤维分布平面， 加载方向由 为了保持该单胞与其它单胞变形的协调性， ! 角表示。 对 ! 3 45和#45 "种情况， 所有的面都保持平面， 对于其 它情况详见文献 6 7 8 。 在本文， 不考虑纤维 - 基体界面 层， 认为纤维 - 基体界面完美。 根据 /9: 的纤维体积， ! " #，$ " %& ’ " % 分别取4; $9， 4; <0， 4; <0。 608 利用 =*+)*> 来划分图 ! 所示的单胞模型， 之后， 将数据传给 ?@?ABC 6 # 8 作计算分析。总的单元数为 纤维为弹性， 基体为弹性和蠕变。 为了便于计算， 9/4。 本文同时也对纯基体材料在 !94. 进行了蠕变试验， 其稳定蠕变率可由式 D / E 表示。 ・ " + , #（/）
预热处理） ， 定义为：
!
引
言
热处理 % ( />?@ % + ： 试样放置热处理炉中， 在 !" =A7 内温度由室温 ( !"B + 升至 ))"B ( 步 % + ， 后保温 !& C （ 步 !） （ 在 %=A7 内温度由 ))"B 降至 !"B ） ， 后水冷 （ 步 <） “D>?E FGG5A78” 。 在图 ! 中， 标记为 ； 热处理 ! ( />?@ ! + ： 试样放置在热处理炉中， 在 !" =A7 内温度 （步 !） 由室温 ( !"B + 升至 ))"B ( 步 % + ， ， 后保温 !& C 后在封闭的炉中随炉冷却， 即在 !& C 内由 ))"B 降至 （!"B ） （ 步 <） “?5GH FGG5A78” 室温 。 在图 ! 中， 标记为 ； 热 处 理 < ( />?@ < + ： 无预热处理，即铸态。在图 ! 中，标记为“>? F>?E”。图 % 给出了这 < 种情况的温 度 $ 时间历史以及后面的蠕变试验。其它步定义为： （!"B ） 步 &， 升至试验温度 <)"B 或 在 ! C 内由室温 步 ) 为在 <)"B I %) .J> 或 !*"B I <" .J> 时 !*"B ； 的蠕变试验。 实验结果示于图 !。实验结果表明，热处理 < 即 铸态有最小的最小蠕变率和最长的蠕变寿命；热处 理 ! 具有最大的最小蠕变率和最短的蠕变寿命；热 处理 % 具有中等的最小蠕变率和中等的蠕变寿命。 （<)"B ） 时比较低温度 实验中这种差别在较高温度 （!*"B ） 更明显。 事实上， 在 !*"B 时热处理 % 和热处
收到初稿日期：!""! # "!$%% ；收到修改稿日期：!""!$"&$%’ 基金项目：国家自然科学基金 ( )""")"%* + ，航空科学基金和长江学者基金资助 作者简介：岳珠峰，男，%,*) 年生，博士，教授，西北工业大学工程力学系，陕西 西安 ’%""’! ，电话："!,$--&,))&"
"
材料， 试样， 试验和结果
（符号 采用压铸的方法制备 ../， 4567%%.8"9 !
后数字表示质量 : ）加上 %): 体积含量的短 45! ;< 纤 维。它为纤维平面随机分布的 ../， 在纤维分布平面 内割取标距长 &" ==、直径 - == 的标准单轴拉伸蠕 （无 变试样。本文研究了 ! 种热处理制度和 % 种铸造
图& ’()* &
（考虑 % 个加载方向 ） 纤维轴应力随时间的变化 +,(-. /012// 34 052 4(621/ 34 052 05122 7-/2/ 8/ 0(92
由于基体的蠕变， 步 $ 产生 步 % 的温度是一定的， 的热应力迅速降至接近 ;。 热处理 $ 和 % 的差别始于 步 =。 对热处理 $， 因为试件在水中冷却， 温度在 $9(> 内由 ::;< 降至 %;< ， 基体几乎没有时间进行蠕变， 该 步的结果是在基体和纤维中产生较高的热处理应力， （相对于此 此时， 纤维承受大约 $ ;": ?@- 的压缩应力 时的纤维尺寸参数 ） 。 因为室温时没有蠕变， 该内应力 将保持到蠕变应力试验。 对热处理 %， 步 = 中温度在 %& 可以假设温度随时间线性下 5 内由 ::;< 降至室温。 降。 在此步， 冷却导致热应力， 同时基体的蠕变将松弛 纤维和基体的热应力。 计算表明， 在步 = 的开始段， 因 为温度较高， 基体易于蠕变， 几乎没有热应力。 在此步 的后段， 因为基体蠕变性能下降， 在纤维和基体中产生 一些热应力， 最终大约为 $ &;$ ?@-， 该值与单胞模型 纤维尺寸参数相关， 但肯定要比热处理 $ 低。 热处理$和热处理%在热处理后的基体和纤维的应
图" FGH; "
应力蠕变试验结果 图! FGH; ! 单胞模型 B>G+ O&KK ’LS&K
I&J,K+ LM J+)&JJNO)&&( +&J+ ML) +P& +P)&& O*J&JQ D * E O)&&( J+)*G> RJ O)&&( +G’& *>S D T E O)&&( )*+& RJ O)&&( J+)*G> 表! "#$%& ! 纤维和基体的材料常数
第 <! 卷 !""< 年
第 %! 期 %! 月
稀有金属材料与工程
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热处理对金属基短纤维复合材料蠕变 性能影响的试验和理论研究
岳珠峰 %I 胡卫兵 !I 吕震宙 %
( %9 西北工业大学， 陕西 西安 ’%""’! + 西安 ’%"")) + ( !9 西安建筑科技大学 I 陕西 摘
（../） 蠕变性能的影响， 同时考虑了 ! 种不 要： 采用试验和有限元方法研究了热处理制度对金属基短纤维复合材料
同热处理制度和 % 种铸造状态。 试验结果表明， 在相同蠕变应力时， 铸态试样有最小 ../ 的蠕变响应与热处理制度有关。 （试样在 ))"B 保温 !& C 后随炉冷却 ） 具有明显的最大的最小蠕变 的最小蠕变应变率和最长的蠕变寿命， 而热处理制度 ! （试样在 ))"B 保温 !& C 后水冷 ） 应变率和最短蠕变寿命， 热处理制度 % 具有中等的最小蠕变应变率和中等的蠕变寿命。 用单胞模型结合有限元方法模拟分析了热处理的影响， 结果表明， 热处理制度的影响可以归于热处理引起的残余应力和 同时考虑了单胞模型的参 残余应变以及它们的历史， 具体可以归于基体的蠕变耗散能、 纤维轴向力和纤维 $ 基体界面力。 数对上述分析结果的影响。 （../） ；热处理；蠕变性能；单胞模型；有限元 关键词：金属基短纤维复合材料 中图法分类号： MS%&*9 %) 文献标识码： 4 文章编号：%""!$%-)W ( !""< + %!$",*)$"*
（../） 短纤维金属基复合材料 可以应用于高温， 迄今对此已作了大量的研究 0 % 1 * 2 。 ../ 的蠕变性能与 下列因素相关：基体的蠕变性能，纤维的弹性和断裂 特性， 纤维的尺寸参数， 纤维的分布以及纤维 3 基体界 面性能等。一般认为热处理制度对 ../ 蠕变性能有 较大影响， 不同的热处理制度将导致不同的宏观蠕变 响应。 但是， 据作者所知， 热处理制度影响的微观机理 尚不明确。本文即试图探索这些机理， 同时采用了试 验和有限元分析 ! 种方法。
图: ’()* :
热处理和应力蠕变试验的单胞模型的蠕变位移 +,(-. E(/F.-7292>0/ 431 052 05122 7-/2/ (> 052 52-0 012-092>0/ ->E 052 /012//G7122F 02/0
万方数据
・ FEG ・来自百度文库
稀有金属材料与工程
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但不为零残余变形， 因为蠕变变形是非线性的。 尽管开始点不 步 ! 为应力蠕变试验的升温过程。 相同， 步 ! 和步 " 将减少热处理引起的差别， 因而在 应力蠕变试验稳定阶段， 三者的差别是不明显的。 !" # 热处理对蠕变响应的影响 纤维的断裂， 纤 ##$ 失效一般可归于以下因素： 一般认为纤 维 % 基体界面的开裂和基体的蠕变失效。 维的断裂可以采用 &’())(*+ 判据的临界应力准则， 过去 的研究表明， 位于 ##$ 的纤维断裂应力比孤立纤维 一般认为， 临界应力准则可以用于 的断裂应力高 , -. / 。 纤维 % 基体界面开裂的判别。 01)) 和 022342567 假设 当纤维 % 基体界面的法向应力达到一定临界值后， 界 , -- / 在以后发表的文献， 包括 , -8， 假设 面即开裂 。 -9 / ， 基体应力的静止应力分量达到某一临界值后， 即发生 开裂。 在蠕变状态， 基体 % 纤维界面的开裂一般表现为 在界面处形成微裂纹和空洞， 因此可以认为是能量型 这里采用蠕 损伤。 遵循 :;+6<67 和 #2=+(4 的方法 , -! / ， （$>0>:） 为开裂的准则， 变耗散能 $>0>: 可 由 非常清楚在步 9 后， 即热处理后， ?@?ABC 直接输出。 因为热处理 热处理 8 比热处理 - 有较高的 $>0>:， 但是在步 ! 和步 " 中， 热处理 8在步 9 中会发生蠕变。 因为热处理 - 有较高 - 比热处理 8 有更高的 $>0>:， 因为没有预 的残余应力。 热处理 9 有较低的 $>0>:， 从 $>0>: 的角度， 热处理 9 具 $>0>: 和残余应力。 有最长的蠕变寿命和最低的稳定蠕变率， 与试验结果 一致， $>0>: 可以解释热处理制度对蠕变响应的影 响。 另一方面， 纤维轴应力和纤维 % 基体界面开裂应力 一般认为， 对 ##$ 的蠕变失效也起着重大作用。 ##$ 的纤维具有较高的压缩性能。 在热处理后， 热处理 - 比 尽管该压缩应力在步 热处理 8 有较高的压缩应力。 但该残余应力有利于蠕变时的纤维断 !中被部分松弛， 裂。 着眼于此， 热处理 - 比热处理 8 有更高的应力蠕变 在模拟 ##$ 蠕变性能时， 必 性能。 文献 , D / 研究表明， 须考虑纤维的断裂。 进一步， 热处理 - 在热处理后， 在 纤维 % 基体界面存在压应力， 这也有利于后面的应力 热 蠕变时的界面开裂， 即着眼于纤维 % 基体界面应力， 处理 - 比热处理 8 有较高的应力蠕变性能。 总之， 9个 参数， 即基体的蠕变耗散能密度、 纤维轴应力和纤维 % 基体开裂应力， 在热处理和应力蠕变过程中有不同的 响应。 对它们的研究有利于对本文研究结果的理解。
图/ FGH; /
热处理和应力蠕变试验的温度 N 时间历史 %P& PGJ+L)G&J LM +&’(&)*+,)& RJ +G’& LM +P& P&*+ +)&*+’&>+J *>S +P& J+)&JJNO)&&( +&J+
式中 , 和 - 分别为蠕变系数和蠕变应力指数， 示于 ） （ , 和 - 由温 表/。 在表 / 中， "$4. 的蠕变方程系数 度内插得到。在许多情况下， 这是有疑问的， 为此， 在
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有限元结果
热处理和应力蠕变过程中的应力状态 纤维的最大轴应力位于纤维的中间。 图 & 给出了 =
种热处理制度时的纤维最大轴向应力随时间变化情况。 在步 $， 即 在 %;9(> 内 由室 温 升至 对 热处 理 $ 和 %， 将在基体和纤维中产生很高的热不协调应力， 此 ::;< ， 时纤维受拉伸应力。 在受热的同时， 基体的蠕变将同时 松弛基体和纤维的热不协调应力， 此时纤维轴应力为时 （在步 $ 中温度为时间的线性函数） 间的非线性函数 。