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1、第22卷 第2期2002年6月航 空 材 料 学 报JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALSVol.22,No.2June 2002金属基复合材料的强化机制陈剑锋,武高辉,孙东立,姜龙涛(哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨150001)摘要:复合材料的强化机制和强度预报一直是材料学的研究热点,因为这涉及到材料的组织设计问题。以往的研究对于金属基复合材料的强化机理有很多种说法,而且提出了大量的模型,但迄今为止缺乏一个统一而完善的理论。本文总结分析了近年来有关金属基复合材料的强化机制和一些相关的模型,并指出了这些强化机制的不足和以后的发展趋势。关键词:金属
2、基复合材料;强度;强化机制;强化模型;材料设计中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:100525053(2002)0220049205 复合材料的强化机制和强度预报13涉及到材料的组织设计问题,近年来一直是材料学的研究热点。金属基复合材料尤其是颗粒增强金属基复合材料的强化机制极其复杂,虽然提出了很多强化模型,”如混合定律4、剪切套模型5,6、球化模型7、Eshelby连续介质力学模型8,9、有限元分析数学模型10等,但迄今为止缺乏一个完善的理论。概括地讲,颗粒增强复合材料强化机制主要有以下几点11:材料受载时,增强体对基体变形的约束或对基体中位错运动的阻碍产生的强化作用;基体向增强
3、体的载荷传递;增强体加入基体,由于基体和增强体热膨胀系数不同导致材料内产生热残余应力以及由于热残余应力释放导致基体中产生位错或基体加工硬化;基体与增强体之间的界面结合状况及界面附近基体的微观结构和化学性质。关于上述强化机制的相对作用程度还必须根据具体材料和材料变形不同阶段来确定。目前金属基复合材料的增强机制尚不明确,仍存在争议,一般认为主要有基体和增强体之间的载荷传递、位错强化、沉淀强化、固溶强化、细晶强化、加工硬化、模量强化等。1 增强体承载与载荷传递 金属基复合材料的主要强化机制是载荷从基体向增强体的传递,增强体是载荷的主要承担者15,所以载荷传递机制是很重要的强化因素。收稿日期:2001
4、209221;修订日期:2002201221基金项目:国家自然科学基金资助项目(50071019)作者简介:陈剑锋(19772),男,硕士研究生。相关的强化模型很多,最简单的就是是混合定律。根据混合定律,金属基复合材料的流变强度可以表达为:c=mVm+pVp(1)式中:c-复合材料的强度;m-基体的强度;p-增强体颗粒的强度;Vm,Vp-基体、增强体的体积分数。利用混合定律预测的强度与实际强度值差异很大,特别是在高体积分数时。主要原因是因为混合定律没有考虑诸如增强体的形状、空间分布等与组织有关的因素对材料性能的影响。此外,对于增强体形状不规则的复合材料,混合定律的等应变假设也不成立。因此该模型
5、预测的流变应力通常是正确值的上限。剪切滞后模型是根据载荷在基体与增强体界面上传递的机制建立的。剪切滞后模型尤其是Nardone和Prewo的改进剪切套模型6可能是最成功的一个12。在改进剪切滞后模型中,考虑到了载荷从基体传递到颗粒的过程中的主拉伸应力和剪切力。颗粒增强金属基复合材料的强度可由下式计算出6:cy=myVp(s+4)4+Vm(2)式中:cy-复合材料的屈服强度;my-基体的屈服强度;Vp,Vm-增强颗粒、基体的体积分数;s-增强体的长径比。由该模型计算所得的屈服强度值比实验所得约大10%6,而传统的剪切滞后模型预测值比实验所测的要低得多。1995-2005 Tsinghua Ton
6、gfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.2 基体中的位错强化 在金属基复合材料中,由于基体的热膨胀系数一般要比增强相的热膨胀系数大许多,因而在制备和热处理过程中均可在基体材料中产生塑性变形而形成高密度位错,导致强化1315。位错强化被认为是MMCs的一种重要的强化机制。位错强化的作用取决于增强体的尺寸和体积分数13,1518。目前,大都借用描述弥散强化合金硬化机制的位错模型。多数研究者过多地考虑因增强体和基体热膨胀系数不同在基体中产生的初始位错密度分布的作用,较少考虑变形过程中位错的行为。位错模型主要包括19:(1)Orowan模型;(2)
7、林位错硬化模型;(3)弹性栓模型;(4)冲孔模型。Orowan模型认为增强体对基体中位错的阻碍使得复合材料的流变应力增大。弹性栓模型侧重考虑了增强体与基体热膨胀系数不同而引起基体的初始位错密度的变化,但对变形过程中位错的增殖现象缺乏考虑,因而不能满意地解释屈服强度的强化效果。位错冲孔模型克服了许多强化模型中假设复合材料中基体与不含增强体的铝合金机械性能一致的缺陷,充分考虑了因热膨胀系数不同而引起的热错配应力松弛在增强体周围形成一高密度位错区的作用。但是以上位错模型忽视了增强体的承载作用,同时也未考虑材料变形过程中基体里的三向应力对基体变形的约束作用23。根据Orowan模型20,复合材料的剪切
8、屈服应力为:y=GbR(3)式中:-0.51.0的常数;G-基体合金的剪切模量;b-基体合金的布氏矢量;R-位错的曲率半径。该模型假设复合材料中的基体与不含增强体的基体合金的机械性能相同,但事实上,由于颗粒与合金的热膨胀系数不同,热错配应力的松弛在增强体颗粒周围形成一高位错密度区。由于位错绕过增强颗粒运动而产生的强化作用称为Orowan强化。由Orowan位错阻碍理论可知,两弥散质点的间距越小,则位错绕过质点时的曲率半径越大,从而导致对位错移动阻力的增加,使材料表现为高的强度,这一强化效果在颗粒尺寸大于1m时可以忽略不计。假设颗粒是等轴的,则强化效果可以用下式预测21:=2GbL(4)其中L为
9、颗粒间距L=0.6d(2 Vf)12(5)而且魏建锋等的研究结果2并不符合这种机制。这表明Orowan并不能完美解释复合材料的强化机制。Ramakrishnan综合了增强体承载和基体中位错强化的作用,提出了球化模型7。它把复合材料分为如图17所示的三个区域:弹性增强体、周围的基体塑性区和外围弹性区。图1 颗粒增强MMCs的球形近似Fig.1Composite sphere approximation ofthe particulate reinforced MMCs 假设塑性区为理想的塑性状态且体积不变,用米塞斯有效应力描述流变应力,在整个球化模型中,假定温度是一致的,其边界条件为:(1)外部
10、边界条件为自由的径向应力;(2)与颗粒2基体界面一样,在基体弹性区和塑性区界面,径向应力与切向应变是连续的;(3)穿过基体弹性区和塑性区的界面,米塞斯有效应力为连续,也可以解释为径向应变和径向应力是连续的。则复合材料的屈服强度的表达式为:cy=y(1+fd)(1+fl)(6)式中,fd=(kGmb-)y(7)fl=0.5Vp(8)cy-复合材料的屈服强度;y-基体的屈服强度。fd和fl是与基体的位错强化和增强体的承载效应有关的修正因子。这说明球化模型考虑了颗粒的承载作用和位错强化的综合作用;k为接近于1的常数,在此取k=1。平均位错密度由下式4得出:05 航 空 材 料 学 报 第21卷 19
11、95-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.-=9.6 TVpbd(9)其中,-基体合金与增强体的热膨胀系数之差;T-加工温度与终了温度之差;Vp-体积分数;b-基体的柏氏矢量;d-增强体颗粒的直径。与位错强化模型相比,本模型不但考虑了位错密度的主导作用(体现在颗粒的大小上),而且还考虑颗粒承载的作用(体现在fl=0.5Vp上)。而且计算结果表明,用该球化模型来预测微米级颗粒增强复合材料的强度是比较可靠的,但是不适用于亚微米级颗粒增强复合材料。3 细晶强化 增强体加入到金属基体中引起的第二个重要作用是亚晶
12、粒尺寸的减小22。超细的亚晶粒尺寸会导致复合材料的增强12。晶界强化,通常也是以细化晶粒或亚晶来阻止位错运动实现的。在对颗粒增强金属基复合材料进行热机械加工时,常常会在基体中发生再结晶,颗粒尺寸不同,对再结晶有两种影响,当颗粒尺寸较小(Vfd 0.1m-1),颗粒会钉扎大角晶界;当颗粒尺寸较大(2或1+1 2的效果。因为强度与材料的原位特性有关,对材料中的界面、缺陷以及材料的局部特性很敏感,是材料的高阶性能。而在高阶性能中往往出现协同效应27,是指有几个因素同时在材料中起作用,材料的某些特性会发生急剧变化的现象。这种现象在复合材料中多个强化机制同时存在时会表现出来,范赋群等认为27,如果能用量
13、子力学定量处理界面和工艺问题,就能改观协同效应的研究,另外还可借助物理力学方法开展研究。郑茂盛等研究了颗粒增强金属基复合材料的模量强化与位错强化的协同效应28。他们的研究表明,复合材料的宏观屈服应力并不是未强化基体的屈服应力与位错堆积造成的流动应力增量以及已经考虑模量强化时的流动应力增量的简单迭加。即不是“1+1=2”,而是包含了两种强化因素之间的相互作用项或者交叉项,具有协同强化效果。9 结束语 综上所述,由于金属基复合材料变形过程的复杂性,目前其强化机制仍不是很清楚,尚未形成统一的认识。现有的模型虽然能在一定程度上解释金属基复合材料的强化规律,但是对实验结果还不能给出圆满的解释,预测值与试
14、验值还存在较大差异。对于短纤维增强金属基复合材料的强度有很多种计算方式2931,但是对于颗粒增强金属基复合材料的研究相对很少。这是因为颗粒增强金属基复合材料的强度影响因素更为复杂。尤其是颗粒的尺寸、形状对复合材料整体性能的影响已经受到来自亚微米甚至纳米级颗粒增强复合材料的挑战。例如,亚微米复合材料中的近无位错特征32表明其强化机制不同于微米级颗粒增强的金属基复合材料。因此,深入了解复合材料的强化机制和塑性变形机理,建立合理的强化理论和模型,仍是以后研究工作的重点。参考文献:1武高辉,赵永春,马森林.亚微米级Al2O3颗粒增强LD2铝合金复合材料的拉伸性能与强化机制J.复合材料学报,1998,1
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29、tesCHEN Jian2feng,WU Gao2hui,SUN Dong2li,J IANGLong2tao(School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:The strengthening mechanisms and strength prediction have always been the focus of investigation,because these arecritical to the design of
30、metal matrix composites(MMCs).Numerous strengthening mechanism and theoretical models have beendeveloped to correlate the mechanical behaviors of MMCs with their microstructure characteristics,but no one accords with the ex2perimental results very well.An overview of recent studies on strengthening
31、mechanisms and models for MMCs ispresented.Thedisadvantages,appropriate research orientation are also discussed.Key words:metal matrix composites;strength;strengthening mechanisms;strengthening model;materials design35第2期 金属基复合材料的强化机制 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.