SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金基梯度復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能及其評(píng)價(jià)

1、復(fù)合材料學(xué)報(bào)ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICA文章編號(hào):1000-3851(2002)06-0057-04第19卷第6期12月2002年Vol.19No.6December2002SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金基梯度復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能及其評(píng)價(jià)郭成,郭生武,程羽,張新功,史東才(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710049)摘要:采用三點(diǎn)彎曲法,對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金基梯度復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能進(jìn)行了研究,提出了梯度復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度比R1和R2兩個(gè)新的力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明:金屬基梯度復(fù)合材料(MMGC)的彎曲力學(xué)性能與其基本組分力學(xué)性能的關(guān)系不符合ROM法則,材料的抗彎強(qiáng)度和最

2、大撓度強(qiáng)烈地受到SiC顆粒梯度分布方式與彎曲方向的影響;當(dāng)基體處于受拉側(cè),高SiC含量組分處于受壓側(cè)時(shí),MMGC能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì);MMGC在受梯度應(yīng)力作用下的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)和其方向性特征受到材料狀態(tài)、材料宏觀不均勻性和微觀連續(xù)性等因素的影響;MMGC的抗彎強(qiáng)度比R1反映了這類材料的性能優(yōu)勢(shì),而抗彎強(qiáng)度比R2則反映了材料的方向性能特征。關(guān)鍵詞:梯度復(fù)合材料;彎曲力學(xué)性能中圖分類號(hào):TB331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ABENDINGMECHANICALPROPERTIESANDITSEVALUATIONOFALUMINIUMALLOYMATRIXGRADIENTCOMPOSITESREINFORCEDWIT

3、HSiCPARTICLESGUOCheng,GUOShengwu,CHENGYu,ZHANGXingong,SHIDongcai(SchoolofMechanicalEngineering,XianJiaotougUniversity,Xian710049)Keywords:gradientcomposites;bendingmechanicalproperties梯度功能材料(FGM)由于具有均質(zhì)和復(fù)層材料所不具備的許多優(yōu)點(diǎn),引起國(guó)內(nèi)外材料界和許多研究機(jī)構(gòu)的極大興趣和密切關(guān)注13。因?yàn)檠芯抗ぷ鞫噌槍?duì)航空航天領(lǐng)域,以熱應(yīng)力緩和功能為目的展開(kāi),限制了FGM發(fā)展。然而,FGM在非常廣泛的領(lǐng)域有著潛

4、在的應(yīng)用前景3,4。因此,開(kāi)展以強(qiáng)度收稿日期:基金項(xiàng)目:作者介紹:4為主要功能的梯度結(jié)構(gòu)材料的研究,開(kāi)展功能材料與結(jié)構(gòu)材料一體化的金屬基梯度復(fù)合材料(MMGC)研究無(wú)疑對(duì)FGM的開(kāi)發(fā)及其對(duì)整個(gè)先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展有著重要的意義5,6。MMGC組織結(jié)構(gòu)與性能的梯度分布特征給材料性能評(píng)價(jià)帶來(lái)了很大的困難。目前,還很少見(jiàn)到對(duì)2001-04-20;收修改稿日期:2001-11-27西安交通大學(xué)在職博士基金資助郭成(1948-),男,博士,教授,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料制備與成形控制、沖壓件質(zhì)量控制和模具C3P。.58復(fù)合材料學(xué)報(bào)2,7,8MMGC整體力學(xué)性能評(píng)價(jià)的報(bào)道。因此,梯度復(fù)合材料的力學(xué)性能評(píng)價(jià)已成

5、為阻礙其工程產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。本文中采用傳統(tǒng)三點(diǎn)彎曲法對(duì)一種SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金基梯度復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,揭示了這類材料彎曲力學(xué)性能與各組分性能的關(guān)系;分析了SiC顆粒梯度分布方式、彎曲方向、材料狀態(tài)及其組織結(jié)構(gòu)特征對(duì)材料性能的影響;提出了兩個(gè)新的材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。2材料的彎曲力學(xué)性能2.1組成MMGC基本組分的彎曲力學(xué)性能表2顯示了由實(shí)驗(yàn)測(cè)得基本組分的彎曲力學(xué)性能。由表中可見(jiàn),隨SiC體積分?jǐn)?shù)的增加,材料的抗彎強(qiáng)度󰀂b、最大撓度f(wàn)均下降9;經(jīng)T6處理后的材料,抗彎強(qiáng)度󰀂b有較大幅度提高。最大撓度f(wàn)值有所下降。表2基本組分材料的彎曲力學(xué)性能

6、Table2BendingmechanicalpropertiesofthecomponentsStateSinteringIndex󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mm1實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法21.1實(shí)驗(yàn)材料SiC顆粒選用平均粒度為10󰀁m的工業(yè)用砂輪磨粒,其體積含量分別取0%、5%、10%、15%、20%5種。基體采用工業(yè)純鋁粉配制,其化學(xué)成份列于表1,其中鋁粉和鎂粉經(jīng)150目過(guò)篩,銅粉經(jīng)320目過(guò)篩。表1基體的化學(xué)成份(vol%)Table1Chemicalcompositionofthematrix(vol%)Cu4.50Mg0.60S

7、i<0.10Fe<0.50AlBalanceT61.2試樣制備為獲得組成梯度材料各組份的基本物性指標(biāo),在制備梯度試樣的同時(shí),制備了5種均質(zhì)復(fù)合材料試樣。材料制備工藝流程如下:配料混粉冷壓制坯(層壓)燒結(jié)復(fù)壓二次燒結(jié)試樣。冷壓制坯和復(fù)壓在YE100型壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。冷壓?jiǎn)挝粔毫θ?20MPa,復(fù)壓時(shí)取400MPa。二次燒結(jié)后,試樣經(jīng)少量加工,尺寸為35mm×5mm×5mm。在普通箱式爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。為避免由于梯度各層彈性后效不同產(chǎn)生附加應(yīng)力引起試樣開(kāi)裂,兩次燒結(jié)均采用階段式燒結(jié)工藝:室溫裝爐,在200保溫半小時(shí),500保溫1小時(shí),600保溫2小時(shí)后隨爐冷?？紤]材料

8、狀態(tài)的影響,對(duì)其中部分試樣進(jìn)行了T6處理。二次燒結(jié)后T6處理的工藝為:鹽浴加熱至500,保溫1小時(shí)后水淬,立即裝爐,在箱式爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理,160保溫16小時(shí)。1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其條件三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)在本校材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的INSTRON1195萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。彎曲跨距為26mm,夾頭位移速度為1mm/min。表3表5顯示了由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的MMGC彎曲力學(xué)性能。由表中可見(jiàn),材料的抗彎強(qiáng)度󰀂b和最大撓度f(wàn)強(qiáng)烈地受到梯度分布方式與彎曲方向的影響。當(dāng)基體材料處于受拉一側(cè)時(shí),MMGC試樣的抗彎強(qiáng)度󰀂b與最大撓度f(wàn)明顯高于20%SiC受拉的情況;梯度層數(shù)增多,過(guò)渡平緩,

9、󰀂b增大;經(jīng)T6處理后,MMGC試樣的抗彎強(qiáng)度提高,最大撓度減少;側(cè)面彎曲時(shí),材料的抗彎強(qiáng)度和最大撓度均居于基體受拉和20%SiC受拉之間。表3復(fù)壓燒結(jié)態(tài)MMGC的彎曲力學(xué)性能Table3BendingmechanicalpropertiesoftheMMGCinsinteringstateBendingwayMatrixstretched20%SiCstretchedOnsideIndex󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mm注:梯度試樣一側(cè)為基體,另一側(cè)為20%SiC復(fù)合材料,中間層階梯過(guò)渡。表4T6態(tài)M

10、MGC的彎曲力學(xué)性能Table4BendingmechanicalpropertiesoftheMMGCinT6stateBendingwayMatrixstretched20%SiCstretchedOnsideIndex󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mm󰀂b/MPaf/mm注:打*號(hào)試樣彎曲時(shí)產(chǎn)生層間開(kāi)裂郭成,等:SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金基梯度復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能及其評(píng)價(jià)59表5T6態(tài)兩層MMGC的抗彎強(qiáng)度󰀂b/MPaTable5BendingstrengthofthetwilayerMMGCinT6stateBending

11、wayMatrixstretched20%SiCstretchedOnsideMatrix-5%SiCMatrix-10%SiCMatrix-20%SiC更高于二層梯度分布材料的抗彎強(qiáng)度。對(duì)于由基體直接過(guò)渡到20%SiC組分的兩層梯度材料而言,由于其微觀連續(xù)性差,不僅其抗彎強(qiáng)度󰀂b低,而且還會(huì)產(chǎn)生如圖1所示的層間開(kāi)裂現(xiàn)象。分析造成梯度層間開(kāi)裂的原因是:在液相燒結(jié)過(guò)程中,基體組分的收縮量遠(yuǎn)大于20%SiC含量組分的收縮量,在兩梯度層間界面處產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力;SiC顆粒與Al的熱膨脹系數(shù)相差極大(110),SiC顆粒邊界存在較高的局部應(yīng)力時(shí),更有利于CuAl2在該界面處的SiC

12、顆粒邊界聚集,形成脆性層;由于基體與20%SiC組分力學(xué)性能差別較大,彎曲變形時(shí)材料流速差使梯度層間界面處產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。此外,將表中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入ROM法則10注:打*號(hào)試樣彎曲時(shí)產(chǎn)生層間開(kāi)裂沒(méi)有這種現(xiàn)象發(fā)生。進(jìn)行驗(yàn)算可知,MMGC的彎曲力學(xué)性能與其基本組分性能的關(guān)系不符合ROM法則。這是因?yàn)椴牧系膹澢冃渭炔粷M足應(yīng)變相等條件,也不滿足應(yīng)力相等條件。3抗彎強(qiáng)度比R1和R2的概念及其應(yīng)用3.1抗彎強(qiáng)度比R1和R2的基本概念為了定量評(píng)價(jià)MMGC與均質(zhì)復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能的差異,本文中提出抗彎強(qiáng)度比R1的新概圖1基體-20%SiC層間開(kāi)裂形貌Fig.1Bendingfractographyof

13、theMMGCinmatrix-20%SiCbondinginterfacialzone念。定義R1=󰀂bg/󰀂bm(1)式中:󰀂bg為MMGC試樣的抗彎強(qiáng)度(MPa);󰀂bm為SiC平均含量與MMGC試樣相等的均質(zhì)復(fù)合材料試樣的抗彎強(qiáng)度(MPa)。同樣,為了評(píng)價(jià)MMGC彎曲力學(xué)性能的方向性特征,本文中提出抗彎強(qiáng)度比R2的新概念。定義:R2=󰀂bgm/󰀂bgc(2)式中:󰀂bgm為基體在受拉一側(cè)MMGC試樣的抗彎強(qiáng)度(MPa);󰀂bgc為基體在受壓一側(cè)MMGC試樣的抗

14、彎強(qiáng)度(MPa)。3.2抗彎強(qiáng)度比R1和R2的應(yīng)用表6中列出了本文中所研究的SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金基梯度復(fù)合材料在不同狀態(tài),不同彎曲方向和不同梯度層組成條件下的抗彎強(qiáng)度比R1。由表中可見(jiàn),基體處于受拉一側(cè)時(shí),R1>1。這說(shuō)明,在這種受力狀態(tài)下,MMGC抗彎強(qiáng)度較均質(zhì)復(fù)合材料有所提高,其提高的幅度與材料的狀態(tài)和梯度層數(shù)有關(guān)。;,2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析由表3表5可見(jiàn),SiC顆粒梯度分布方式與彎曲方向強(qiáng)烈影響材料的抗彎強(qiáng)度和最大撓度。當(dāng)基體材料處于受拉一側(cè)時(shí),這類材料的抗彎強(qiáng)度󰀂b與最大撓度f(wàn)明顯高于20%SiC組分材料處于受拉一側(cè)的情況,也高于平均SiC含量為10%的均質(zhì)復(fù)合材料。

15、這說(shuō)明,當(dāng)MMGC的組織結(jié)構(gòu)和梯度分布方式與其所受應(yīng)力、應(yīng)變分布相適應(yīng)時(shí),材料能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。如表2所示,SiC顆粒的加入降低了材料的強(qiáng)度和塑性,將其置于彎曲受壓一側(cè),將塑性好的基體置于受拉一側(cè),其性能的梯度變化與彎曲變形材料的應(yīng)力、應(yīng)變分布相適應(yīng),故與平均SiC含量相等的均質(zhì)復(fù)合材料比較,其強(qiáng)度和撓度有較大幅度的提高。由表中還可看出,材料的宏觀不均勻性和微觀連續(xù)性對(duì)其力學(xué)性能有很大影響。五層梯度分布材60復(fù)合材料學(xué)報(bào)表6MMGC的抗彎強(qiáng)度比R1Table6BendingstrengthratiosR1oftheMMGCStateSinteringBendingtwilayerMatri

16、xstretched20%SiCstretchedMatrixstretched20%SiCstretchedMMGC的方向性也受其梯度變化微觀連續(xù)性的影響,但影響程度相對(duì)較小。4結(jié)論(1)金屬基梯度復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能與其基本組分力學(xué)性能的關(guān)系不符合ROM法則;這類材料的抗彎強(qiáng)度和最大撓度強(qiáng)烈地受到SiC顆粒梯度分布方式與彎曲方向的影響。(2)當(dāng)基體處于受拉側(cè),高SiC含量組分處于受壓側(cè)時(shí),MMGC能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì);MMGC在受梯度應(yīng)力作用下的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)和其方向性特征受到材料狀態(tài)、材料宏觀不均勻性和微觀連續(xù)性等因素的影響。(3)抗彎強(qiáng)度比R1反映了這類材料的性能優(yōu)勢(shì);抗彎強(qiáng)度比R2反

17、映了材料的方向性特征。參考文獻(xiàn):1傅正義,袁潤(rùn)章,趙修建.梯度功能材料的研究J.復(fù)合材料學(xué)報(bào),1992,9(1):23-29.2郭成,程羽,易樹(shù)清,等.SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金基梯度復(fù)合材料的制備與壓縮性能研究J.復(fù)合材料學(xué)報(bào),1999,16(1):8-13.3新野正之,傾斜機(jī)能材料󰀁發(fā)想󰀂開(kāi)發(fā)動(dòng)向J.工業(yè)材料,1990,38(12):18-25.4郭成,朱維斗,金志浩.梯度功能材料的研究現(xiàn)狀與展望J.稀有金屬材料與工程,1995,24(3):18-25.5趙稼祥,周瑞發(fā).先進(jìn)復(fù)合材料及其應(yīng)用研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.復(fù)合材料學(xué)報(bào),1993,10(3):18-34.6

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