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1、M 1 21 4 5 3 0 0.56 5 1.03 91 3R 5+0.0 5-0.0 5 5图1准静态拉伸试件F i g.1 S a m p l e f o r q u a s i-s t a t i c t e n s i l e t e s t!收稿日期:2 0 0 5-1 2-0 5;修回日期:2 0 0 6-0 9-1 3基金项目:国家自然科学基金资助(批准号:9 0 3 0 5 0 1 8)作者简介:宁建国(1 9 6 3-),男,博士,教授。联系电话:0 1 0-6 8 9 1 2 7 6 2,E-m a i l:j g n i n g b i t.e d u.c n。颗粒增强
2、钛基复合材料的弹塑性能研究宁建国,王晋平,姜芳(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京1 0 0 0 8 1)摘要:利用M T S 8 1 0材料试验机对体积含量为3%的T i C颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0及基体钛合金进行了准静态拉伸试验,获得了材料弹塑性变形的应力应变曲线。结果表明,复合材料及基体材料达到屈服后,直至材料的迅速失效,几乎没有应变硬化效应。由断口分析可以看出,T P-6 5 0断口平齐,无颈缩现象,断口无韧窝,呈明显的脆性断裂特征,颗粒与基体界面有明显的脱粘现象。最后,基于M o r i-T a n a k a平均场理论和割线模量法讨论了颗粒增强钛基复合材
3、料T P-6 5 0的弹塑性性能,理论预测与试验结果基本吻合。关键词:颗粒增强;钛基复合材料;准静态拉伸;弹塑性性能;割线模量法中图分类号:T B 3 3 0.1文献标识码:A文章编号:1 0 0 4-2 4 4 X(2 0 0 6)0 6-0 0 0 1-0 4E l a s t o p l a s t i c p r o p e r t i e s o f p a r t i c l e r e i n f o r c e dt i t a n i u mma t r i xc o mp o s i t e sN I N GJ i a n-g u o,WA N GJ i n-p i n g
4、,J I A N GF a n g(S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f E x p l o s i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h e q u a s i-s t a t i c t e n s i l e p r o p e r t i e s o f T i Cp a r t
5、 i c l e r e i n f o r c e dt i t a n i u mm a t r i x c o m p o s i t e s T P-6 5 0a n dm a t r i x h a v e b e e ns t u d i e db y M T S-8 1 0t e s t i n g a p p a r a t u s,a n dt h e s t r e s s/s t r a i nc u r v e s o f c o m p o s i t e s a s w e l l a s m a t r i x h a v e b e e no b t a i n
6、 e d.T h e e x-p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e c o m p o s i t e s a n dm a t r i x f a i l r a p i d l y a n dh a v e f e ws t r a i n-h a r d e n i n g e f f e c t s a f t e r s t r e s s r e a c h i n g t h ey i e l d l i m i t.T h e f r a c t u r e o f T P-6 5 0 i s e v e
7、n w i t h o u t d i m p l e a n d n e c k i n g,w h i c h s h o w s d i s t i n c t b r i t t l e f r a c t u r e c h a r a c t e r.M e a n w h i l e,d i s t i n c t i n t e r f a c e d e b o n d i n g b e t w e e nm a t r i x a n dp a r t i c l e h a s b e e no b s e r v e d.B a s e do nM o r i-T a
8、 n a k a m e t h o da n ds e c a n t m o d u l u sm e t h o d,e l a s t o p l a s t i c p r o p e r t i e s o f T P-6 5 0h a v e b e e ns t u d i e d.T h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w s g o o da g r e e
9、m e n t.K e yw o r d s:p a r t i c l e r e i n f o r c e d;t i t a n i u mm a t r i x c o m p o s i t e s;q u a s i-s t a t i c t e n s i l e;e l a s t o p l a s t i c p r o p e r t i e s;s e c a n t m o d u l u s m e t h o d钛基复合材料具有高比强度、比刚度等优点,被认为是能够改善钛材性能和扩展钛材用途的新一代材料1。颗粒增强钛基复合材料由于制造工艺简单、价格较便宜、工程化
10、应用前景更好而成为近年研究热点2。研究发现3T i C陶瓷颗粒和钛基体的密度、泊松比、热膨胀系数最为接近。T i C颗粒增强钛基复合材料的比强度和比模量等性能比钛基材有大幅的提高,且复合材料的综合性能可通过调整T i C颗粒的体积分数和热处理制度等途径得以优化。对颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0及基体钛合金进行了准静态拉伸试验,并对拉伸断口进行了分析。在此基础上讨论了颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0的弹塑性性能,为改善材料的塑性、韧性提供依据。1材料和试验试验材料为西北有色金属研究院利用P T M P(P r e-t r e a t m e n t m e l t p r o c
11、e s s)法制备的T i C颗粒增强钛基复合材料(T P-6 5 0)。增强T i C颗粒的体积分数为3%,颗粒平均直径为5 m。复合材料铸锭经过开坯锻造,再经两相区锻造加工成 1 3 m m的棒材4。复合材料T P-6 5 0和基体钛合金都经8 0 0/1h空冷退火的热处理工艺处理。准静态试件形状和尺寸如图1所示,对基体钛合金和复合材料T P-6 5 0分别进行5次重复性试验,对3次重复性较好的试验数据取均值。!2 0 0 6年1 1月兵器材料科学与工程O R D N A N C EM A T E R I A LS C I E N C EA N DE N G I N E E R I N G
12、V o l.2 9 N o.6N o v.,2 0 0 6第2 9卷第6期兵器材料科学与工程第2 9卷兵器材料科学与工程兵器材料科学与工程兵器材料科学与工程第2 9卷兵器材料科学与工程兵器材料科学与工程14 0 012 0 010 0 08 0 06 0 04 0 02 0 00S t r a i n0.0 00.0 20.0 40.0 60.0 8S t r e s s/M P a复合材料基体图2基体及复合材料的应力应变曲线F i g.2 S t r e s s-s t r a i nc u r v e s o f m a t r i x a n dc o m p o s i t e s图2
13、为基体钛合金和复合材料T P-6 5 0的实测应力应变曲线,准静态加载条件下可以看出,钛合金和T P-6 5 0的应力应变曲线的非线性均不太明显,只在接近屈服点时才出现非线性。当材料达到屈服后,直至材料失稳迅速破坏,几乎没有应变硬化效应。整个拉伸破坏过程可以分为三个阶段:初始线性阶段,屈服后的微损伤阶段,宏观失稳破坏阶段。表1为T P-6 5 0与基体钛合金的力学性能参数。由表1和图2可以看出,由于增强颗粒的加入,复合材料的抗拉强度和屈服强度均明显提高,其提高幅度分别为1 2.7%和1 6.5%。这是由于颗粒和基体界面处的不均匀变形会引起阻碍变形的应力场,使基体得到强化。2复合材料T P-6
14、5 0的弹塑性性能2.1理论模型的建立基于M o r i-T a n a k a平均场理论5和割线模量法讨论两相复合材料弹塑性性能。设两相复合材料中基体和夹杂的刚度张量分别用L0、L1表示,体积分数分别用c0、c1表示(c0+c1=1)。令复合材料在边界处受远场均匀的应力作用。另外有一形状相同的均匀材料,其弹性性质与上述复合材料中基体的弹性性质相同,在同样的外力作用下它的本构关系为=L00(1)复合材料基体中的平均应力为(0)=+!=L0(0+!)(2)其中,!是夹杂相间相互作用产生的扰动应变。同样夹杂内的平均应力为:(1)=+!+p t=L1(0+!+p t)=L0(0+!+p t-*)(3
15、)其中,*为夹杂的等效本征应变,p t与p t为由于单个夹杂的存在引起的扰动应力与扰动应变。由E s h e l b y等效夹杂理论6得,p t=S*,p t=L0(S-I)*(4)式中S是四阶E s h e l b y张量,它与基体泊松比及夹杂的形状有关,I为四阶单位张量。由复合材料的体积平均应力等于其远场作用的均匀应力可得=c0(0)+c1(1)(5)由上述各式即可得到复合材料的总应变为=0+c1*=(I+c1A)L-10(6)其中,A=L0+(L1-L0)c1I+(1-c1)S-1(L0-L1)(7)2.2颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0的弹性性能假设基体和增强颗粒均为各向同性材料
16、,球形颗粒均匀分布于基体中,且颗粒与基体界面结合完好,那么对于四阶各向同性张量L0、L1可以用静水压和偏分量的形式简化如下:L0=(3 k0,2 0),L1=(3 k1,2 1)(8)其中,0、k0、1、k1分别表示基体和颗粒的剪切模量和体积模量。当颗粒为球形时,E s h e l b y张量可写为S=(,)=1+v03(1-v0),8-1 0 v01 5(1-v0)(9)其中,v0为基体的泊松比。同样,将基体和颗粒相的应力和应变分别写成球量和偏量的形式,为=a0k k,a0=(k1-k0)+k0c1+(1-c1)(k1-k0)+k0(1 0)=b0 i j,b0=(1-0)+0c1+(1-c
17、1)(1-0)+0(1 1)=a1k k,a1=k1c1+(1-c1)(k1-k0)+k0(1 2)=b1 i j,b1=1c1+(1-c1)(1-0)+0(1 3)a0、b0、a1、b1分别为基体和颗粒的应力集中因子的静水压分量和偏分量,满足c1a1+(1-c1)a0=1,c1b1+(1-c1)b0=1。复合材料的应变也做如下分解k k=k k3 k0+c1*k k,i j=i j2 0+c1*i j(1 4)由此可得复合材料的有效体积模量和剪切模量分别为:kk0=1+c1(k1-k0)k0+(1-c1)(k1-k0)(1 5)0=1+c1(1-0)0+(1-c1)(1-0)(1 6)材料的
18、弹性模量、泊松比与体积模量、剪切模量满足关表1材料的力学性能参数T a b l e 1 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f ma t e r i a l s试验材料抗拉强度b/M P a屈服强度s/M P a弹性模量E/G P aT P-6 5 012 4 012 0 01 3 0钛合金11 0 010 3 01 1 52第5期第5期系:E=9 k 3 k+,v=3 k-2 2(3 k+)(1 7)代入T P-6 5 0的性能参数,E1=4 6 0G P a,v1=0.1 8 8,E0=1 1 5G P a,v0=0.3 5,c=3%,得T P
19、-6 5 0的弹性模量E=1 1 9G P a,计算所得弹性模量E与实测值E T的相对误差为8.5%。图3给出了复合材料弹性模量随增强颗粒体积分数的变化曲线,可以看出复合材料的弹性模量随增强颗粒体积分数的增加而明显提高。2.3颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0的弹塑性性能将复合材料中钛合金基体看作是理想弹塑性体,增强颗粒看作是线弹性体。随着外载荷的增加,复合材料中的钛合金基体开始屈服,复合材料进入塑性变形阶段。基体本构方程为(0)=E,!ss,s(1 8)基体的总应变可分解为弹性应变和塑性应变的总和,则有Es0=(0)e+p=11E0+ps(1 9)其中,s、p分别为基体的弹性应变和塑性应
20、变。基体的割线体积模量和割线剪切模量满足各向同性关系ks0=k 0=Es03(1-2 vs0),s0=Es02(1+vs0)(2 0)由材料的塑性不可压缩性可得基体割线泊松比为vs0=12-(12-v0)Es0E0(2 1)各符号定义同前,上标s表示其对应的割线值。在单向拉伸载荷作用下复合材料应力与塑性应变的关系为p1 1=(1Es-1E)1 1(2 2)图4为颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0实测应力应变曲线与数值计算的应力应变曲线的比较,可以看到二者基本吻合。3断口分析图5为基体钛合金的拉伸断口,可以发现其上分布着大量的韧窝,呈现明显的韧性断裂特征。图6为复合材料T P-6 5 0的拉
21、伸断口,可以看到,试件均匀延伸,断口平齐,无颈缩现象,断口基本无韧窝,从表面裂纹源向内部扩散的裂纹线呈扇状放射,呈明显的脆性断裂特征。图7为T P-6 5 0的断口微观形貌,从图7 a中看出,断口没有明显的延性断裂特征,塑性变形发展不充分。断口还存在许多撕裂脊,局部区域中有河流状条纹,呈现出复杂的断裂特征。图7 b中,直至复合材料断裂失效,1 0 0 m图5钛合金拉伸断口F i g.5 T e n s i l e f r a c t u r e o f t i t a n i u mm a t r i x5 0 0 m图6 T P-6 5 0拉伸断口F i g.6 T e n s i l e
22、f r a c t u r e o f T P-6 5 00.00.20.40.60.81.0c1E/E05.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50图3复合材料弹性模量与增强颗粒体积分数的关系图F i g.3 E f f e c t i v eY o u n gs m o d u l u s v s.t h ev o l u m ef r a c t i o no f r e i n f o r c e dp a r t i c l e14 0 012 0 010 0 08 0 06 0 04 0 02 0 00S t r a i n0.0 00.0 10.0 20.0 3
23、0.0 4S t r e s s/M P a数值结果试验结果图4实测曲线与数值曲线比较F i g.4C o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t e dr e s u l t s a n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s宁建国等:颗粒增强钛基复合材料的弹塑性能研究3兵器材料科学与工程第2 9卷兵器材料科学与工程兵器材料科学与工程兵器材料科学与工程第2 9卷兵器材料科学与工程兵器材料科学与工程增强颗粒没有发生破碎,而是伴随着大量增强颗粒的脱粘,颗粒的脱粘可成为裂纹的萌生和扩展的途径。4结论(1)在基体钛合金
24、中加入T i C颗粒,可以明显地提高复合材料T P-6 5 0的刚度,但却牺牲了其延伸率。(2)颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0及基体钛合金在准静态受拉伸载荷作用而达到屈服后,直至材料失稳迅速破坏,几乎没有表现出应变硬化效应。(3)颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0的断口平齐,无颈缩现象,断口无韧窝,呈明显的脆性断裂特征,且颗粒与基体有明显的界面脱粘现象。(4)基于M o r i-T a n a k a平均场理论与割线模量法预测了颗粒增强钛基复合材料T P-6 5 0的弹塑性性能,理论预测与试验结果基本吻合。参考文献:1曾泉浦,毛小南,张延杰.T P-6 5 0钛基复合材料中的界面J
25、.稀有金属材料与工程,1 9 9 7,2 6(2):8-1 1.2罗国珍.钛基复合材料的研究与发展J.稀有金属材料与工程,1 9 9 7,2 6(2):1-6.3杨滨,王玉庆,张键,等.铝熔体中原位反应生成T i C颗粒的机制分析J.稀有金属材料与工程,1 9 9 7,2 9(6):3 7 8-3 8 1.4毛小南,周廉,周义刚,等.T P-6 5 0颗粒增强钛基复合材料的性能与组织特征 J.稀有金属材料与工程,2 0 0 4,3 3(6):6 2 0-6 2 3.5M o r i T,T a n a k a K.A v e r a g e s t r e s s i n m a t r i
26、x a n d a v e r a g e e l a s t i ce n e r g yo f m a t e r i a l s w i t hm i s f i t t i n gi n c l u s i o n sJ.A c t aM e t a l lM a t e r,1 9 7 3(2 1):5 7 1-5 7 4.6E s h e l b y J D.T h e d e t e r m i n a t i o no f t h e e l a s t i c f i e l do f a ne l l i p-s o i d a l i n c l u s i o na n
27、 dr e l a t e dp r o b l e m sJ.P r o c e e d i n g so f t h eR o y a l S o c i e t y,1 9 5 7,A 2 4 1:3 7 6-3 9 6.图7 T P-6 5 0断口形貌F i g.7 F r a c t u r e m o r p h o l o g y o f T P-6 5 01 0 maT P-6 5 0断口形貌aF r a c t u r e m o r p h o l o g y o f T P-6 5 05 mb界面的脱粘bI n t e r f a c e d e b o n d i n
28、g中国材料工程大典 书讯之中国材料工程大典 的使用1 2 0 0多名专家学者,包括3 9名院士、百余名各学科学术带头人编写化学工业出版社出版,共2 6卷,近7 0 0 0万字一、中国材料工程大典2 6卷组成了一座宏伟的知识大厦;但是,其中包含了1 5个专题,每个专题1-3卷,各个专题自成体系。有兴趣涉猎某一方面内容的读者,完全可以把其中任何一个专题的卷目当作独立的科技图书来使用,这些卷目都是该专业领域最有名望的专家呕心之作,将成为该专业领域最有影响的著作。各卷中,都非常明确地注明了每一卷、每一篇以及每一章的主编、编写以及审稿人员的姓名和单位,这为增进读者与作者之间的交流,提供了便利。二、中国材
29、料工程大典 是大型材料工具书,是从其规模大、知识覆盖面广来讲的;但不能把这套书看作材料数据手册或百科全书。在表达形式上,中国材料工程大典 的每一个专题都按照了该专业的特点,对材料的结构、性能、制备、应用或者加工成形(含设备、工艺、检测)等进行系统阐述,反映专业现状,展望发展趋势。而一般材料数据手册是列举材料各种结构、性能和应用的成熟数据,百科全书会以辞条解释的方式对材料领域内的知识进行阐述,与 中国材料工程大典 性质明显不同。三、中国材料工程大典 不只是为一般意义上的材料专业的科技人员使用,从事制造业的读者会发现也能够从中汲取大量必要和有用的工程技术知识。中国材料工程大典 中不但从理论上阐述了材料的组成、结构与性能之间的关系,而且更多地从工程的角度,对材料的应用、材料成形工艺及设备、材料性能检测等内容进行了阐述,这些能直接对制造业的工程技术人员有指导和参考作用。四、中国材料工程大典 是我国各理工科高校、材料工程和制造业科研和工程单位图书馆和图书室的优秀馆藏资源。中国材料工程大典 是从组织到出版,从主编单位到参编作家,从内容特点的装帧形态,都表现出了它的权威性,这套书的各个专题将是各自领域的最有分量的作品之一,而中国材料工程大典 整体上也将是我国现阶段最有分量、最有影响的科学技术著作之一。让我们走进 中国材料工程大典 这座知识大厦,来欣赏它的宏伟和华美吧!4