材料表面與界面(5-1)

材料的表面與界面

SurfacesandInterfaces

inMaterials第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.1金屬基復(fù)合材料界面的分類

5.1.1金屬基復(fù)合材料界面的分類

對于金屬基復(fù)合材料，其界面比聚合物基復(fù)合材料復(fù)雜得多。金屬基復(fù)合材料界面的類型取決于增強(qiáng)體和金屬基體材料本身的特性及復(fù)合工藝條件。根據(jù)增強(qiáng)材料與基體的相互作用情況，金屬基復(fù)合材料的界面可以歸納為表5-1所示的三種類型。表5-1金屬基復(fù)合材料的界面類型類型一類型二類型三金屬基體和增強(qiáng)體既不反應(yīng)也不互相溶解金屬基體和增強(qiáng)體不反應(yīng)但互相溶解金屬基體和增強(qiáng)體之間發(fā)生反應(yīng)生成界面反應(yīng)物Cu-WCu-Al2O3Ag-Al2O3Al-B(表面涂BN)Al-不銹鋼Al-BAl-SiCMg-SiCCu-Cr合金-WNb-WNi-CNi-WCu-Ti合金-WTi-Al2O3Ti-BTi-SiCAl-SiO2Al-C(在一定溫度下)Mg-Al18B4O33w第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.1金屬基復(fù)合材料界面的分類

5.1.1金屬基復(fù)合材料界面的分類

第一類界面的特征為金屬基體和增強(qiáng)體之間既不反應(yīng)也不互相溶解，界面相對比較平整。第二類界面的特征為金屬基體和增強(qiáng)體之間彼此不發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，但浸潤性好，能發(fā)生界面相互溶解擴(kuò)散，基體中的合金元素和雜質(zhì)可能在界面上富集或貧化，形成犬牙交錯的溶解擴(kuò)散界面。第三類界面的特征為金屬基體和增強(qiáng)體之間彼此發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物，形成界面層。取決于復(fù)合工藝條件、加工和使用條件，實(shí)際復(fù)合材料中的界面可能不是單一的類型，而是以上三種類型的組合。此外，各類界面間并沒有嚴(yán)格的界限，在不同條件下同樣組成的物質(zhì)，或在相同條件下不同組成的物質(zhì)可以構(gòu)成不同類型的界面。例如表5-1中類型一的Al-B復(fù)合材料體系，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看它們是可能發(fā)生反應(yīng)的，但由于氧化膜的保護(hù)作用，造成了反應(yīng)的動力學(xué)障礙，如果工藝參數(shù)控制恰當(dāng)，不使保護(hù)膜破壞．可以形成第一類界面；但如果保護(hù)膜破壞則形成第三類界面。又如在Cu-W復(fù)合材料中，如果基體是純銅，形成第一類界面；如果基體是Cu—Cr合金，形成第二類界面；如果基體是Cu-Ti合金，則合金中的Ti將與W發(fā)生反應(yīng)而形成第三類界面。

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5.1.2界面的結(jié)合機(jī)制

為了使復(fù)合材料具有良好的性能，需要在增強(qiáng)體與基體界面上建立一定的結(jié)合力。界面結(jié)合力是使基體與增強(qiáng)體從界面結(jié)合態(tài)脫開所需的作用于界面上的應(yīng)力，它與界面的結(jié)合形式有關(guān)，并影響復(fù)合材料的性能。金屬基復(fù)合材料中的界面結(jié)合基本可分為四類，即：機(jī)械結(jié)合；共格和半共格原子結(jié)合；擴(kuò)散結(jié)合；化學(xué)結(jié)合。(1)機(jī)械結(jié)合基體與增強(qiáng)體之間純粹靠機(jī)械結(jié)合力連接的結(jié)合形式稱為機(jī)械結(jié)合。它主要依靠增強(qiáng)材料粗糙表面的機(jī)械“錨固”力和基體的收縮應(yīng)力來包緊增強(qiáng)材料產(chǎn)生摩擦力而結(jié)合。結(jié)合強(qiáng)度的大小與纖維表面的粗糙程度有很大關(guān)系，界面越粗糙，機(jī)械結(jié)合越強(qiáng)。這種結(jié)合只有當(dāng)載荷應(yīng)力平行于界面時才能顯示較強(qiáng)的作用，而當(dāng)應(yīng)力垂直于界面時承載能力很小。因此，具有這類界面結(jié)合的復(fù)合材料的力學(xué)性能差，除了不大的縱向載荷外，不能承受其它類型的載荷，不宜作結(jié)構(gòu)材料用。事實(shí)上由于材料中總有范德華力存在，純粹的機(jī)械結(jié)合很難實(shí)現(xiàn)。機(jī)械結(jié)合存在于所有復(fù)合材料中。既無溶解又不互相反應(yīng)的第一類界面屬這種結(jié)合。

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5.1.2界面的結(jié)合機(jī)制

(2)共格和半共格原子結(jié)合共格和半共格原子結(jié)合是指增強(qiáng)體與基體以共格和半共格方式直接原子結(jié)合，界面平直，無界面反應(yīng)產(chǎn)物和析出物存在。金屬基復(fù)合材料中以這種方式結(jié)合的界面較少。在擠壓鑄造碳化硅晶須增強(qiáng)鎂基(SiCw/AZ91)復(fù)合材料中，碳化硅晶須和鎂合金基體之間存在一些優(yōu)先晶體學(xué)位向關(guān)系，具有晶體學(xué)位向關(guān)系的界面是一種半共格匹配的原子結(jié)合界面，碳化硅晶須和鎂合金的低指數(shù)密排面在界面互相結(jié)合，界面能降低，導(dǎo)致高界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖5-1

擠壓鑄造SiCw/AZ91復(fù)合材料界面的HREM照片自生增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料的界面為增強(qiáng)體和基體直接原子結(jié)合界面，界面處完全無反應(yīng)產(chǎn)物或析出相，如TiB2/NiAl自生復(fù)合材料中，TiB2與NiAl的界面為直接原子結(jié)合。

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5.1金屬基復(fù)合材料界面的分類

5.1.2界面的結(jié)合機(jī)制

(3)擴(kuò)散結(jié)合某些復(fù)合體系的基體與增強(qiáng)體雖無界面反應(yīng)但可發(fā)生原子的相互擴(kuò)散,此作用也能提供一定的結(jié)合力。擴(kuò)散結(jié)合是基體與增強(qiáng)體之間發(fā)生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產(chǎn)生的一種結(jié)合。如果互相溶解嚴(yán)重，以至于損傷了增強(qiáng)材料，則會改變增強(qiáng)材抖的結(jié)構(gòu)，削弱增強(qiáng)材料的性能，從而降低復(fù)合材料的性能。

這種結(jié)合與表l中的第二類界面對應(yīng)，是靠原子范圍內(nèi)電子的相互作用產(chǎn)生的。增強(qiáng)體與基體的相互作用力是極短程的，因此要求復(fù)合材料各組元的原子彼此接近到幾個原子直徑的范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)。由于增強(qiáng)體表面吸附的氣體以及增強(qiáng)體表面常存在氧化物膜都會妨礙這種結(jié)合的形成，這時就需要對增強(qiáng)體表面進(jìn)行超聲波法等預(yù)處理，除去吸附的氣體，破壞氧化物膜，發(fā)生直接接觸和局部互溶以提高界面結(jié)合力。

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5.1.2界面的結(jié)合機(jī)制

第一類：有利于基體與增強(qiáng)體浸潤、復(fù)合和形成最佳界面結(jié)合。這類界面反應(yīng)輕微，纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體無損傷和性能下降，不生成大量界面反應(yīng)產(chǎn)物，界面結(jié)合強(qiáng)度適中，能有效傳遞載荷和阻止裂紋向增強(qiáng)體內(nèi)部擴(kuò)展。SiC晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料中，鎂與SiC表面的粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，形成MgO，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，如圖5-2所示。

(4)化學(xué)結(jié)合它是基體與增強(qiáng)體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式，由反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)鍵合提供結(jié)合力，它在金屬基復(fù)合材料中占有重要地位，第三類界面屬這種結(jié)合形式。大多數(shù)金屬基復(fù)合材料，在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就是說增強(qiáng)材料與基體界面存在化學(xué)勢梯度。這意味著增強(qiáng)材料與基體之間只要存在有利的動力學(xué)條件，就可能發(fā)生增強(qiáng)材料與基體之間的化學(xué)反應(yīng)，在界面形成新的化合物層，也就是界面層。界面反應(yīng)通常是在局部區(qū)域中發(fā)生的，形成粒狀、棒狀、片狀的反應(yīng)產(chǎn)物，而不是同時在增強(qiáng)體和基體相接觸的界面上發(fā)生層狀物，只有嚴(yán)重界面反應(yīng)才可能形成界面反應(yīng)層。根據(jù)界面反應(yīng)程度對形成合適界面結(jié)構(gòu)和性能的影響可將界面反應(yīng)分成三類：圖5-2SiCw/AZ91復(fù)合材料界面的彌散分布MgO界面反應(yīng)物第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.1金屬基復(fù)合材料界面的分類

5.1.2界面的結(jié)合機(jī)制

第二類：有界面反應(yīng)產(chǎn)物，增強(qiáng)體雖有損傷但性能不下降，形成強(qiáng)界面結(jié)合。在應(yīng)力作用下不發(fā)生界面脫粘，裂紋易向纖維等增強(qiáng)體內(nèi)部擴(kuò)展、呈現(xiàn)脆性破壞。結(jié)果造成纖維增強(qiáng)金屬的低應(yīng)力破壞。但對晶須、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、這類反應(yīng)則是有利的。圖5-3(a)為擠壓鑄造態(tài)硼酸鋁晶須增強(qiáng)AZ91鎂基復(fù)合材料中，硼酸鋁晶須與鎂基體發(fā)生界面反應(yīng)形成界面反應(yīng)產(chǎn)物MgO的TEM形貌。第三類：嚴(yán)重界面反應(yīng)，有大量反應(yīng)產(chǎn)物，形成聚集的脆性相和脆性層，造成增強(qiáng)體嚴(yán)重?fù)p傷和基體成份改變，強(qiáng)度下降．同時形成強(qiáng)界面結(jié)合。復(fù)合材料的性能急劇下降，甚至低于基體性能、這類反應(yīng)必須避免。圖5-3（b）為硼酸鋁晶須與鎂基體在600℃熱暴露10小時后發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，形成大量塊狀MgO反應(yīng)產(chǎn)物的TEM形貌。

(a)(b)圖5-3硼酸鋁晶須增強(qiáng)AZ91復(fù)合材料TEM界面形貌(a)擠壓鑄造態(tài)，(b)6000C熱暴露10小時第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.2金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)

在一般情況下金屬基復(fù)合材料是在較高的溫度下制造的，因此基體和增強(qiáng)體之間的相互作用往往不可避免地生成嚴(yán)重影響復(fù)合材料性能的界面化合物層。因此也就有了界面反應(yīng)的化學(xué)相容性問題?；瘜W(xué)相容性是指組成復(fù)合材料的各組元之間有無化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)速度的快慢，它包括熱力學(xué)相容性與動力學(xué)相容性。

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5.2金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)

5.2.1界面反應(yīng)的熱力學(xué)相容性

決定熱力學(xué)相容性的關(guān)鍵因素是溫度。溫度對熱力學(xué)相容性的影響比較直觀的可由相圖中得到。但是比較實(shí)用的相圖很少，所以具體的復(fù)合材料體系中的相容性問題一般只能通過實(shí)驗(yàn)來解決。下面以幾種常用的金屬基復(fù)合材料為例說明。(1)鋁及鋁合金基復(fù)合材料鋁-碳系:在室溫到2000K的溫度范圍內(nèi)，Al與C反應(yīng)生成Al3C4的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能為負(fù)值。深入的研究表明，Al3C4的成分不定，成分可在不大范圍內(nèi)變化。Al與C在低溫下開始反應(yīng)，但速度非常緩慢。隨著溫度的上升，反應(yīng)越來越劇烈，生成的Al4C3量也越來越多。兩者明顯作用的溫度根據(jù)基體成分和碳的結(jié)構(gòu)不同，約在400～500℃之間。碳在固態(tài)和液態(tài)鋁中的溶解度都不大。固態(tài)時的固溶度為0.015%(重量)；而在800、1000、1100、1200℃時的溶解度分別為0.1、0.14、0.16、0.32%(重量)。鋁-硼系:

鋁-硼系生成三個化合物：AlB2，AlB10，AlB12。他們在高溫都不穩(wěn)定，AlB2

和AlB12的分解溫度分別為975和2070℃，但他們在室溫是穩(wěn)定的化合物；AlB10的穩(wěn)定溫度范圍為1660～1850℃。硼在鋁中的溶解度很小，固態(tài)時的最大固溶度為0.025%(重量)，730℃和1300℃時的溶解度分別為0.09和2.0%(重量)。鋁-碳化硅系:Al-SiC體系按下式進(jìn)行反應(yīng)：4Al+3SiC=Al4C3+3Si。此式的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化為－15kJ/mol，因此，反應(yīng)的推動力是不大的。溫度在620℃以下時，Al實(shí)際上與SiC不作用。向Al中添加Si可以抑制在更高溫度時SiC與固態(tài)和液態(tài)鋁之間的反應(yīng)，改善相容性，因而可以采用液態(tài)法來制造鋁-碳化硅復(fù)合材料。鋁對碳化硅的潤濕性不好。第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.2金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)

5.2.1界面反應(yīng)的熱力學(xué)相容性

(2)鈦及鈦合金基復(fù)合材料鈦-硼系:Ti-B系中生成兩種化合物：γ-TiB2和δ-TiB。因此Ti與B在熱力學(xué)上是不相容的，反應(yīng)產(chǎn)物為TiB。B和Ti的相互固溶度都很小，750～1300℃時硼在鈦中的固溶度不大于0.053%(重量)，1670±25℃的溶解度稍大于0.13%(重量)。鈦-碳化硅系:Ti-SiC體系中Ti與SiC發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiC、Ti5Si3、TiSi2及更復(fù)雜的化合物。因此，他們是不相容的。鈦-碳系:Ti-C系中有一穩(wěn)定的可變組成的化合物TiC1-x(0<x<0.05)，熔點(diǎn)約3080℃（在此點(diǎn)含C為16.5%(重量)），因此Ti與C是不相容的。600、800、920℃時C在α-Ti中的固溶度分別為0.12、0.27、0.48%(重量)，而在900、1400、1750℃時C在β-Ti中的溶解度分別為0.15、0.27、0.8%(重量)。(3)鎂和鎂合金基復(fù)合材料鎂-碳系:Mg-C系中生成兩種化合物Mg2C3和MgC2，他們在常溫下穩(wěn)定，但在高溫下都不穩(wěn)定，其分解溫度分別為660℃和600℃。高于600℃時MgC2分解成Mg和石墨，高于660℃時Mg2C3分解成Mg和石墨。鎂和碳是不相容的，溫度高于450℃，兩者的反應(yīng)已經(jīng)很顯著。液態(tài)鎂對碳的潤濕性差。鎂-硼系:鎂和硼生成若干種化合物，其中最典型的是與AlB2具有相同六方晶格的MgB2，它在小于1050℃穩(wěn)定。此外還有MgB4、MgB6、MgB12及介于后兩者之間的若干種化合物。MgB6和MgB12的穩(wěn)定溫度分別為1150℃以下及1700℃以上。依此從熱力學(xué)上講鎂與硼是不相容的，生成若干種在常溫下穩(wěn)定的化合物。由上面的分析可知，大部分金屬基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)物在熱力學(xué)上是不相容的。第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.2金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)

5.2.2界面反應(yīng)的動力學(xué)相容性

(1)基體與增強(qiáng)體之間不生成化合物，只生成固溶體這種情況并不導(dǎo)致復(fù)合材料性能的急劇下降，主要的危險是增強(qiáng)體的溶解消耗。在假設(shè)增強(qiáng)體擴(kuò)散的前提下，如果金屬基體中增強(qiáng)物的原始濃度為零，基體表面上增強(qiáng)體原子的濃度在整個過程中保持不變，并等于其在該溫度下在基體中的極限濃度，基體至少是半無限物體，擴(kuò)散系數(shù)與濃度無關(guān)。根據(jù)第二菲克定律：

式中：C為τ時間基體與增強(qiáng)體接觸面X處擴(kuò)散（增強(qiáng)）物的濃度；C0為擴(kuò)散物在基體中的極限濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)D與溫度的關(guān)系可用阿累尼烏斯型方程式表示：

式中A為常數(shù)；Q為半擴(kuò)散激活能。根據(jù)式(1)和(2)可以計(jì)算在一定溫度下和一定時間后復(fù)合材料中擴(kuò)散帶的厚度。第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.2金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)

5.2.2界面反應(yīng)的動力學(xué)相容性

(2)基體和增強(qiáng)物之間生成化合物基體和增強(qiáng)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、生成化合物時，如果假設(shè)化合物層均勻，則化合物層厚度X與時間τ之間有下列拋物線關(guān)系式：

式中：n為拋物線指數(shù)，K為反應(yīng)速度常數(shù)。這個關(guān)系式導(dǎo)出的前提是反應(yīng)是由參與反應(yīng)的組分通過反應(yīng)層的擴(kuò)散過程控制的。K與溫度的關(guān)系遵循阿累尼烏斯關(guān)系式，依此上式可以改寫為：

考慮到用作動力學(xué)研究的試樣，在其制造過程中在界面上已經(jīng)建立了一定厚度的反應(yīng)層Xi，引入當(dāng)量時間τe，則上式改寫為：

第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.2金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)

5.2.2界面反應(yīng)的動力學(xué)相容性

在金屬基復(fù)合材料中大部分界面結(jié)合是靠基體和增強(qiáng)體間生成的化合物，為了有效地傳遞載荷，要求整個界面連續(xù)、結(jié)合牢固，即所謂的力學(xué)連續(xù)性；為了能有效地阻斷裂紋，又要求界面不連續(xù)、結(jié)合適度。界面的結(jié)合狀態(tài)和結(jié)合強(qiáng)度常常用化合物的數(shù)量、也即化合物層的厚度來衡量?；衔飻?shù)量較少，界面結(jié)合太差，它將不能有效傳遞載荷，因而不能充分發(fā)揮增強(qiáng)物的作用；化合物太多，界面結(jié)合過強(qiáng)，將改變復(fù)合材料的破壞機(jī)制。為了兼顧有效傳遞載荷和阻止裂紋兩個方面，必須要有最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度，也即最佳的化合物層厚度。對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的計(jì)算公式為：式中：δe*為化合物層的臨界厚度；df為纖維直徑；σuf為纖維的平均抗拉強(qiáng)度；Ef和El分別為纖維和化合物層的彈性模量；βl為化合物層的Weibull系數(shù)，表示化合物層中的強(qiáng)度分布；σuln為化合物層歸一化了的平均抗拉強(qiáng)度。針對大部分界面的化學(xué)反應(yīng)，所生成的化合物厚度都很大，應(yīng)設(shè)置增強(qiáng)體和基體之間化學(xué)反應(yīng)的障礙，降低反應(yīng)速度或反應(yīng)產(chǎn)物的生長速度，而這最有效的辦法就是增強(qiáng)體的表面涂覆處理，以及添加合金元素；或者采用強(qiáng)化的工藝方法，減少基體與增強(qiáng)體在高溫下的接觸時間，從而控制化合物的厚度低于臨界值。(2)基體和增強(qiáng)物之間生成化合物第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.3金屬基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力

5.3.1熱殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

復(fù)合材料中，熱殘余應(yīng)力的產(chǎn)生需具備如下三個方面的條件：1、增強(qiáng)相與基體之間的界面結(jié)合良好；2、溫度變化；3、增強(qiáng)相與基體間熱膨脹系數(shù)的差異。金屬基復(fù)合材料中，一般基體合金的熱膨脹系數(shù)相對較大，增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)相對較小，較大的熱膨脹系數(shù)差異是復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力產(chǎn)生的先決條件。通常熱膨脹系數(shù)差異越大，則熱殘余應(yīng)力的數(shù)值越大?？梢杂孟旅娴哪Ｐ蛠砻枋鲱w粒增強(qiáng)復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力的產(chǎn)生：假設(shè)無限大基體中鑲嵌一彈性球型粒子，模型如圖5-4所示。R表示整個體積球的半徑，r2為埋入粒子的半徑，r0為沒有約束時粒子的半徑，rl為未受約束時基體中孔洞的半徑。在某一高溫下有：r2=r1=r0。在冷卻過程中，基體孔洞將向rl位移收縮；由于顆粒的熱膨脹系數(shù)小，其只能收縮到r2位置，室溫下有R≥r0＞r2＞rl，r0≈r1≈r2。此時，在粒子與基體的界面處將有熱殘余應(yīng)力存在。普遍認(rèn)為基體中存在的是平均殘余拉應(yīng)力，增強(qiáng)相承受的是平均殘余壓應(yīng)力圖5-4球形夾雜產(chǎn)生殘余應(yīng)力模型第5金屬基復(fù)合材料中的界面

5.3金屬基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力

5.3.2界面熱錯配應(yīng)力的計(jì)算對于一個給定的金屬基復(fù)合材料體系，由于外部溫度變化產(chǎn)生界面熱錯配應(yīng)力的大小可以進(jìn)行理論計(jì)算。以長纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為例。假設(shè)復(fù)合材料中界面結(jié)合強(qiáng)度足夠高，以至在界面熱錯配應(yīng)力作用下不發(fā)生滑動和開裂。圖5-5（a）為在T1溫度下復(fù)合材料處于原始狀態(tài)（熱錯配應(yīng)力為零）的示意圖。當(dāng)該復(fù)合材料被加熱到T2溫度時，如果纖維與基體間無相互約束，則纖維與基體將發(fā)生自由膨脹，結(jié)果如圖5-5（b）所示。但實(shí)際上復(fù)合材料中纖維與基體之間是相互約束的，并且我們前面已經(jīng)假設(shè)界面不發(fā)生滑動和開裂，所以界面約束的作用結(jié)果是纖維受基體的拉伸作用而比自由膨脹時的膨脹量有所增加；而基體受纖維的壓縮應(yīng)力作用而比自由膨脹時的膨脹量有所減小，結(jié)果如圖5-5（c）所示。纖維基體基體(a)T1溫度纖維基體基體(b)T2溫度,界面自由纖維基體基體(c)T1溫度，界面約束dmdcdfl

圖5-5金屬基復(fù)合材料界面熱錯配應(yīng)力計(jì)算示意圖第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.3金屬基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力

5.3.2界面熱錯配應(yīng)力的計(jì)算

由圖(a)可以很顯然得到以下計(jì)算公式：

dm=(T2-T1)αmldf=(T2-T1)αfldc=(T2-T1)αcl其中：αm、αf和αc分別為基體、纖維和復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。從上面3個公式可以得到基體、纖維和復(fù)合材料的自由膨脹應(yīng)變εm、εf和εc分別為：

εm=(T2-T1)αmεf=(T2-T1)αfεc=(T2-T1)αc對比圖4-5（b）和（c）可以得到，復(fù)合材料中界面熱錯配應(yīng)力的產(chǎn)生是由于在界面約束條件下基體少膨脹和纖維多膨脹引發(fā)的彈性應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力，其值應(yīng)該為：

σi=(εc-εf)Ef=(εm-εc)Em其中：σi為界面熱錯配應(yīng)力，Ef和Em分別為纖維和基體的彈性模量。將公式帶入，則得到復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)αc的計(jì)算公式：

αc=（αmEm+αfEf）/（Em+Ef）可得到金屬基復(fù)合材料中的界面熱錯配應(yīng)力為：

σi=(T2-T1)（αm-αf）EmEf/（Em+Ef）可以看出，金屬基復(fù)合材料中的界面熱錯配應(yīng)力隨基體與增強(qiáng)體熱膨脹系數(shù)差和溫差的增加而提高。對于金屬基復(fù)合材料體系設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用具有重要的理論意義與實(shí)際價值。第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.3金屬基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力

5.3.3熱殘余應(yīng)力的影響因素

復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力除受兩相熱膨脹系數(shù)差、溫度差影響外，基體屈服強(qiáng)度、增強(qiáng)體形狀及分布、增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)等因素對熱應(yīng)力也有較大的影響。復(fù)合材料基體應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度后，即發(fā)生塑性應(yīng)變及松弛現(xiàn)象，因此熱殘余應(yīng)力直接與基體屈服強(qiáng)度有關(guān)，基體屈服強(qiáng)度越高則復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力越大。增強(qiáng)體尺寸及長徑比影響到復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力，主要與基體中應(yīng)力的松弛程度有關(guān)，當(dāng)位錯運(yùn)動阻力較大時基體中應(yīng)力的松弛程度減小，必然導(dǎo)致復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力增大。對SiC短纖維增強(qiáng)Al基復(fù)合材料中纖維長徑比對熱殘余應(yīng)力影響的研究結(jié)果表明，纖維長徑比越大則復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力越大。當(dāng)纖維長度及長徑比較大時，復(fù)合材料基體中位錯沿纖維軸向的沖孔阻力增大，其結(jié)果會造成基體應(yīng)力難以松弛，導(dǎo)致復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力增大。另外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維長徑比超過20后，復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力隨纖維長徑比的變化不明顯，說明此時已處在基體應(yīng)力松弛的臨界狀態(tài)。增強(qiáng)體分布對復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力也產(chǎn)生一定影響。對于短纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料，無論是解析分析或有限元計(jì)算方法，通常假定增強(qiáng)體在基體中定向規(guī)則排列，所得出結(jié)果具有一定局限性。在實(shí)際復(fù)合材料中，增強(qiáng)體有時呈混亂分布狀態(tài)，此時熱殘余應(yīng)力分布情況變得比較復(fù)雜?？梢圆捎肊shelby模型分析增強(qiáng)體平面隨機(jī)混亂分布及余弦定向布狀態(tài)下SiCf/Al復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種復(fù)合材料不同方向的熱殘余應(yīng)力分量存在較大差別，主要與復(fù)合材料中纖維取向有關(guān)。從平均熱殘余應(yīng)力來看，兩種復(fù)合材料差別并不明顯，增強(qiáng)體混亂分布時平均熱殘余應(yīng)力略低于余弦定向分布情況。

第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.3金屬基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力

5.3.3熱殘余應(yīng)力的影響因素

在其它條件相同的前提下，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)是影響復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的主要因素，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)越高則復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力越大。運(yùn)用Eshelbey模型，假定增強(qiáng)體在復(fù)合材料中定向規(guī)則排列，可以估算溫度降低200℃時,SiCw/Al復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力與晶須體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖5-6所示。從圖中可見，隨著晶須體積分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料基體橫向及縱向熱殘余拉應(yīng)力始終保持增大的趨勢。只是由于復(fù)合材料中晶須定向排列，基體橫向熱殘余應(yīng)力小于縱向。

纖維的體積分?jǐn)?shù)熱殘余應(yīng)力

(MPa）圖5-6SiCw/Al復(fù)合材料基體熱殘余應(yīng)力與晶須體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系第5章金屬基復(fù)合材料中的界面

5.3金屬基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力

5.3.4殘余應(yīng)力的分析與測量

熱殘余應(yīng)力的分析方法包括同心球體模型、同心圓柱體模型、Eshelby模型及有限元計(jì)算等.同心球體及圓柱體模型：同心球體模型適于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，假定增強(qiáng)體為球形，復(fù)合材料單元體外包圍一球殼狀基體；該體系具有空間球?qū)ΨQ性，由于這類問題比較簡單，可分析彈塑性狀態(tài)下復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力。同心圓柱體模型適用于長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，假定增強(qiáng)纖維為圓柱體狀，復(fù)合材料單元體外包圍一圓筒狀基體；該體系具有空間軸對稱性，可分析彈性狀態(tài)下復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力。同心球體及同心圓柱體模型在處理邊界問題時，都假設(shè)復(fù)合材料單元體的基體