碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的動態(tài)力學性能

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的動態(tài)力學性能

與纖維增強金屬材料相比，增強金屬材料的特點是材料的各向異性小，材料形成方便。近年來，它在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。其中碳化硅顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/Al)的研究尤為活躍。這種材料比鋁合金具有更高的比剛度、比強度,同時還具有耐磨損、高溫性能好等優(yōu)點,能用傳統(tǒng)的金屬加工技術(shù)和設備進行制備和加工,具有較高的競爭力,在航天、航空、汽車制造等領域里的應用日益增多,國外已出現(xiàn)SiCp/Al復合材料的鑄錠商品及其各種型材和構(gòu)件。SiCp/Al與大部分材料相似,其動態(tài)力學性能與靜態(tài)力學性能有很大差異。目前,SiCp/Al復合材料力學性能的研究,大多局限在準靜態(tài)加載條件下進行。對這類材料的動態(tài)力學性能研究開展甚少,而這類材料在工程實際應用中,常常處于動態(tài)加載條件下,所以對其動態(tài)力學性能的研究就顯得十分重要。本文試圖在應變率0.002s-1～1000s-1范圍內(nèi)對SiCp/Al復合材料進行靜、動態(tài)拉伸試驗,并結(jié)合沖擊拉伸加卸載試驗和沖擊拉伸復元法試驗,探討應變率對復合材料力學性能的影響,并在此基礎上建立SiCp/Al復合材料應變率相關的一維本構(gòu)模型。1可彎性材料在不同應變率下的應力應變曲線特征試驗用SiCp/Al復合材料采用復合鑄造法制備,基體選用鑄造性能良好的ZL104鋁合金,組份(重量):Si8.0%-10.5%,MgO.17%-0.3%,Mn0.2%-0.5%,雜質(zhì)1.6%,其余為Al。SiC顆粒的大小為10μm,體積含量為10%。鑄造后材料被軋制成1.5mm×50mm×120mm的板材,并淬火時效處理(T6)。在自行研制的旋轉(zhuǎn)盤式桿-桿型沖擊拉伸試驗裝置上,通過改變?nèi)肷涿}沖的方法對SiCp/Al復合材料進行了應變率分別為150s-1,500s-1,1000s-1的三組沖擊拉伸試驗。圖1為原始脈沖信號。依據(jù)一維應力波理論,試件中的應力σ(t)、應變ε(t)和應變率ε(t)可以分別表示為式中A0和L0為試件試驗段的橫截面積和長度,C0、A和E分別為連接試件兩端的輸入桿和輸出桿的波速、橫截面積和模量,εi(t)為輸入桿上的應變片測得的信號,εt(t)為輸出桿上的應變片測得的信號(如圖1所示)。為了便于對SiCp/Al復合材料動態(tài)力學性能與靜態(tài)力學性能進行分析比較,還對SiCp/Al復合材料在準靜態(tài)條件下進行了單向拉伸試驗。試驗是在島津DS-5000試驗機上進行的,加載速度為0.6mm/min,相應應變率為0.002s-1。材料在各組應變率下的試驗結(jié)果的平均值及其相對誤差見表1。圖2為SiCp/Al在不同應變率下的應力應變曲線。從這些曲線中可以看出在整個加載過程中,材料并沒有出現(xiàn)明顯的屈服點,本文依據(jù)工程慣例定義σ0.2為復合材料的屈服應力。從表1和圖2中還可以發(fā)現(xiàn),復合材料的拉伸強度(σb)和屈服應力(σs)均隨著應變率的提高而顯著增加,具有明顯的應變率強化效應。圖3給出了σb,σs與logε的關系,在應變率很低時,復合材料的拉伸強度、屈服應力隨應變率的增加而緩慢增加,當應變率很高時,隨著應變率的增加,復合材料的拉伸強度和屈服應力顯著增加。從圖3中還可以看出,曲線和近似平行,表明兩者具有相同的應變率強化規(guī)律。根據(jù)修正的應變率強化模型,復合材料的拉伸強度、屈服應力與應變率的關系可以用如下形式的方程來表示式中的,σs0和σb0分別為應變率、參考應變率、參考屈服應力和參考拉伸強度;N為應變率強化系數(shù);是特征材料由應變率不敏感區(qū)向應變率敏感區(qū)過渡的特征應變率,當時,材料對應變率比較敏感,當時,材料對應變率敏感性往往表現(xiàn)得不很明顯。本文取參考應變率為,根據(jù)表1中的有關參數(shù),可以擬合出以下的結(jié)果圖3中的曲線為擬合結(jié)果,與試驗點之間吻合得很好。從圖2中我們可以看出,SiCp/Al復合材料的應力應變曲線類似于一般鋁合金材料的應力應變曲線,具有彈塑性的變形特征,但是分析判斷材料是否具有塑性特性必須對材料進行加卸載實驗,驗證材料卸載后是否存在殘余應變。圖4是SiCp/Al復合材料在兩種應變率下加卸載試驗的應力應變曲線,從圖4中可以看出,SiCp/Al應力應變曲線加載時呈非線性且無明顯的屈服點,隨著應變的不斷增加,應力逐漸趨于平坦,且不同應變率下的這段應力平坦線基本平行。材料卸載時按彈性規(guī)律卸載。這些特征說明材料是一種連續(xù)性屈服的彈塑性材料。正是因為這類材料有著與鋁合金基體類似的特征而使得它的實際應用日益廣泛。對于SiCp/Al這類連續(xù)屈服的材料,其應力應變曲線可用無明顯屈服點的Ramberg-Osgood模型來描述其中σ0是屈服應力,E為初始彈性模量,M為應力指數(shù),特征材料屈服后的硬化行為,α為常數(shù),通常取為3/7。根據(jù)(8)式,材料的應力指數(shù)M可以表示為圖5顯示的是應變率對復合材料應力指數(shù)的影響,可以看出在沖擊拉伸加載下復合材料的應力指數(shù)曲線近似平行,并且可以看成一個常數(shù),而準靜態(tài)拉伸的應力指數(shù)與動態(tài)拉伸時的應力指數(shù)相比降低了17.8%,這主要是高應變率加載過程中絕熱溫升導致材料軟化的結(jié)果。通常,在準靜態(tài)加載條件下,由于變形速度很慢,不可逆功產(chǎn)生的熱量很快便為周圍環(huán)境吸收,試件溫度基本保持恒定,整個過程可以近似看成一個等溫過程。而在沖擊拉伸加載條件下,整個加載過程的時間很短(幾十個微秒),不可逆作功產(chǎn)生的熱量不易為周圍環(huán)境吸收,必然有絕熱溫升產(chǎn)生并導致材料軟化,因此沖擊拉伸試驗所獲得的高應變率應力應變曲線中同時包含有應變硬化效應、應變率強化效應和絕熱溫升引起的熱軟化效應,且這三個效應是耦合在一起的。通常,應變硬化效應與應變率強化效應的耦合是通過不同應變率的試驗來解耦的;而軟化效應與前兩個效應的解耦則是非常困難和復雜的。為進一步研究SiCp/Al在高應變率下變形的物理機理,本文對復合材料實施了沖擊拉伸復元法試驗,以獲得材料在高應變率下的等溫應力應變曲線?；驹囼炦^程如下:(1)用短脈沖對材料實施沖擊拉伸加卸載試驗;(2)讓試件冷卻至室溫;(3)繼續(xù)重復上述過程直至材料破壞。圖6顯示的是用復元解耦熱力耦合的過程,其中曲線1為SiCp/Al在準靜態(tài)加載下的應力應變曲線,可以看成是一條低應變率下的等溫應力應變曲線,曲線2為沖擊拉伸長脈沖作用下應變率等于150s-1時的應力應變曲線(絕熱),虛線為同一試件在短脈沖載荷作用下的應變率等于150s-1的多次沖擊拉伸加卸載曲線,每一條加卸載曲線都是在前一條加卸載曲線的基礎上,讓試件溫度冷卻至室溫后,重新實施短脈沖加載得到的;曲線3是虛線中一系列屈服點的連線,由于材料在彈性段的變形是可逆的,沒有非彈性功轉(zhuǎn)化為熱,在屈服點材料的溫度基本不變,因此曲線3可以認為是一條應變率為150s-1的等溫應力應變曲線。曲線2和曲線3具有相同的應變率,這兩者的差異主要歸結(jié)于絕熱溫升的影響;曲線3和曲線1均為等溫應力應變曲線,兩者的差別主要歸結(jié)于應變率的影響;從圖6中可以看出,不同應變率下的等溫應力應變曲線是平行的,說明在解耦出熱力耦合效應后,材料在不同應變率下具有相同的應變硬化特征。2自篆書自篆書自立體系的自開放模型Eshelby’s等效夾雜理論已被廣泛運用于確定兩相系統(tǒng)之間的相互作用,在此基礎上,本文將建立一個自洽模型來預測不同應變率下顆粒增強金屬基復合材料的變形。2.1sic彈性模量的確定在宏觀均勻且各向同性的復合材料中,植入一球形夾雜SiC顆粒,由于夾雜SiC顆粒體積很小,而復合材料中顆粒數(shù)量非常之大,所以夾雜的植入不會引起復合材料中顆粒體積百分含量的改變,也不會對復合材料的宏觀力學性能產(chǎn)生影響;此外,又由于這個夾雜顆粒可以置于復合材料中的任意位置,所以夾雜顆?？梢源鎻秃喜牧现腥我庖粋€SiC顆粒,體現(xiàn)了復合材料中SiC顆粒的整體性質(zhì)。根據(jù)Eshelby等效夾雜模型,在均勻拉應力σA的作用下,夾雜內(nèi)SiC顆粒的應力可以最終表示為:其中σA為均勻外加應力,Ep和Ec分別為SiC顆粒和復合材料的彈性模量,為Eshelby張量。同樣在復合材料中也可以植入一鋁合金夾雜,代表復合材料中基體的整體性質(zhì)。類似的,夾雜區(qū)內(nèi)的應力也可以表示為以下形式其中Em為鋁合金基體的彈性模量。(10)和(11)應滿足體積混合率,即這里Vm和Vp分別是基體和增強相的體積含量。將(10)式和(11)式代入(12)式得,取彈性段的泊松比為1/3,對球形夾雜材料,等于7/15。方程(13)即可表示為將Vp=10%,Vm=90%,Em=78GPa,Ep=340GPa,代入方程(14)中,即可獲得復合材料的模量Ec=89.34GPa,和試驗結(jié)果吻合。2.2應力應變控制策略隨著外加載荷的進一步增加,復合材料中的鋁合金基體開始屈服,復合材料也相應進入塑性變形階段,此時增強相和基體的應力可以用增量形式的方程(15),(16)來控制。上式中的Ep、Em和Ec分別為增強相、鋁基體和復元材料的應變硬化率,也由彈性階段的8/15改變?yōu)?/5(塑性段所對應的泊松比為1/2)。因而在塑性變形階段方程(14)可以表示為由(17)式即可求解出復合材料在不同加載階段的應變硬化率。整個彈塑性計算流程(圖7)如下2.3應力應變關系SiCp/Al金屬基復合材料的應變率相關性主要是由鋁基體的應變率相關性引起的;在整個加載過程中,SiC顆粒被認為是應變率無關的,且始終滿足線彈性的應力應變關系;鋁合金基體是應變率相關的,且具有良好的塑性。本文選用修正的RambergOsgood模型來描述鋁合金基體的冪次應變率強化和冪次應變硬化行為其中σ*為基體在參考應變率下的屈服應力。表2為計算模型中各組份材料的力學性能,根據(jù)計算流程圖,本文對SiCp/Al在應變率為0.002s-1,150s-1,500s-1和1000s-1的力學性能進行了模擬,計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較如圖8所示,兩者吻合得很好。3sicp/al應變曲線特征1.SiCp/Al金屬基復合材料是一種應變率敏感材料,在沖擊拉伸加載條件下具有應變率強化效應和高速韌性現(xiàn)象。對于某一確定溫度,利用熱起伏的最大能量作為熱激活能的位錯向前運動所產(chǎn)生的應變速率為特征應變率,當時,由于位錯運動能充分利用熱起伏提供的能量,材料的拉伸強度(σb)和屈服應力(σs)隨應變率的增加而緩慢增加;當時,外加應變速率強迫位錯運動速率增加,不能充分利用熱起伏提供的能量,要讓位錯越過勢壘就需增加外力,宏觀表現(xiàn)為拉伸強度(σb)和屈服應力(σr)隨應變率的增加而迅速增加。SiCp/Al金屬基復合材料的特征應變率為29s-1。2.沖擊拉伸試驗獲得的SiCp/Al應力應變曲線是一條絕熱應力應變曲線,由于曲線中包含有熱