循环变形提高SiC纤维增强铝基复合材料强度及塑性Ⅱ理.pdf

第 3 8卷 2 0 0 2年4月 第 4期 3 8 1-3 8 4页 仓 扁 学 垃 ACTA M ETALLURGI CA S I NI CA V0】3 8 No 4 Apr 2 0 0 2 P P 3 81 3 8 4 循环变形提 高 S i C 纤维增强铝基复合材料强度及塑性 I I 理论分析 柳永 宁 楚丽平 何 家文 西安交通大学 金属材料强度国家重 点 骑室两安 7 1 0 0 4 9)杨 盛 良 (国防科学技术 人学 化学 与材料 乐长沙 4 L 0 0 7 3)摘要 采用断裂 学方法获得J 纤维增强 台竹料强度与 脱 K J堂 纤维临界长蛮 l盐 纤维体 分数的定世关系 谊 式较好 地预剐 F 维的l临界K睡 技强度与纤维 车积分数的 摹并再 1 复兮打料 台定则谤0 也较好地 解释 1 蛙特 复台材料强度 随短期 昏 虾变哥 裁荷 与同次增加而增 明 现象 围屉在循环变形叶 J 纤维 与基怍界面结台强度发宅空他导武纤维临 K窟与 脱牯 乇 哇发生 变f E从 使复台材料强度增加但这 砷增 加是有限的和育范围的惦环 吏形的垃腌最终 导致强度 l 降 关键词 S i C F 维增强铝基复合材抖循环变形 肄面结占强度 中图法分类号TB 3 3 1，T G1 1 3 2 5 文献标识码A 文章编号0 4 1 2 1 9 6 1【2 0 0 2)0 4 0 3 8 1 0 4 CY CLE L0ADI N G I N CREAS I NG TH E S TREN GTH AN D PLAS TI CI TY 0F Si C FI BER REI N FoR CED ALUM I NUM CoM PoS I TES I I Th e o r e t i c a l An a l v s i s L Yo n q n n 9 CHU L i p i n 9 HE J i a we n S t a t e Ne La bor a t o r y o f M e c ha ni c M Be_1 l v i or of M e t a l l i c Ma t e l i a l s Xi al l J i a ot o n g Uhi r e r s i t v Xi a【l 71 0 0 4 9 l G Sh e n g l i a n g De pa r t m e n t o f Ch e m i s t r y an d M a t e r i a s S cie nc e N a t J on a Uni v e r s i t y o f De ns e Te c hno l oK v C h a ng s ha 4 0 0 7 3 C o r r e s p o n d e n t：L I U h n g n i n g p r o f e s s o r 死2 (0 2 9)2 6 6 9 0 7 1凡 f 0 2 9)3 2 3 7 9 1 0 E-ma i h y n h：u x j t u e d u c n S u p p o r t e d 6 u胁 t WT t a 2 Na t u r a?S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a(No 5 9 7 3 1 0 2 0 J M,n us c r i pI r e i v e d 2 0 01 0 7-2 3 i n r e vis e d f o r m 2 0 01 1 0 08 ABSTRAC T A r e l a t i o n s h i p be t we e n s t r e n gt h a n d d e b o ndi ng l e ng t h fib e r c r i t i c a l l e ng t h a n d v o a l ne f r a c t i o n o f S i C fibe r r e i nf o r c e d c o m p as i t e wa s o b t a i n e d b v f r a e t ur e me c ha n i c s a na l y s i s wh i c h c a n pr e di c t,we l l t h e c r i t i c a l l e n g t hs t r e n gt h a n d fib e r v o l u me f r a c t i o n a nd r e a p pe a r s t h e M i xt ur e La w i n c o mp o s i t e s Th e r e l a t i o n s h i p e x pl a i n s we l l t h e e x pe r i me n t a l p he n o m e no n，t he s t r e ng t h a n d pl ast i c i t y o f fi b e r r e i n f o r c e d a l u n fi n u m e o mp o s i t e s i n c r e a s e s a s f a t i g u e c y c l e s i n c r e a s e Th e r e aso n i S t h a t t h e i n t e r f a c i a l a dh e s i o n s t r e ng t h wa s c h a ng e d du r i n g f a t i g ue r e s ul t i ng i n t h e c r i t i c a l a n d d e b o nd i n g l e n g t h s c h a ng e d a nd t he s t r e ng t h o f c o mp o s i t e s i nc r e a s e d Ho we v e r t hi s s t r e ng t h i nc r e a s e i s l i mi t e d a n d fi na l l y，t h e s t r e n gt h wi l l de c r e a s e wi t h f a t i gu e c y c l e s i n c r e a s i n g f u r t h e r as l l o r l na l m a t e r i Ms K EY W ORD S S i C fi be r r e i nf o r c e d a l umi nu m ma t r i x c o mpo s i t e c yc l i c d e f o r ma t i o n，i nt e r f a c i a l s he a r s t r e n g t h 界面在复合材料中起传递载荷作用 对复台材料性能 有重要彬响目前 尽管对复 台材料的制作_ 艺、服役性 国家 自然科学 基盘重点项日 5 9 7 3 1 0 2 0和上海文通大学访 荇 基金资助 收到钾稿 口期：2 0 0 1 0 2 3，4 到 悔改穑 口期：2 0 0 1 1 o _ 0 8 怍青简舟 口 水宁男 1 9 5 6年生教授 能等已进行了广泛研究但对界面的研究仍是一个薄弱的 环节【仍然很难通过实验按几的意志随意改变界面的 结 合强度 研究 界面对复台材料性能的影响 庄往通过 计弹机模拟来进行 L a l 对 C A 1 复合村料不l 石 界面结合 强度的研究表明 1 2。过强 与过弱的结台界面对整体强度 都有不利的影响 Co o p e r和 Ke l l y 分别考虑 r 纤 维的拔出与断裂两个过程 获得了纤维拨出与断裂所需的 功但复台材料的断裂过程是投出与纤维断裂这丽 个过程 维普资讯 http:/ 3 8 2 金属学报 3 8 卷 柞伴同时发牛，单独考虑某一过程并不能获得界面结合强 度 对材料整体一生能的影响 Cl y n e和 V,T i t h e r s J l J认为 纤维与基体材料的性能相差较大，原来纯【型裂纹扩展 时遇到纤维后裂纹会发生偏转产生 I【型分量将导致 裂纹扩鼹能量增高但这 只是一个定性的分析结果文献 5提 了两个 埕(1 1材料在受最大应，j 时，纤维一旦 开始断裂其后总的承载能力下降从而导致继续断裂(2 1基体不承担载荷并在此基础上获得了复合材料强度 与纤维 强度、纤 维体积分 数 及裂 纹 R寸 的关 系但其 中没 有考虑 面的影响许多模型在进行微观力学分析时将界 嘶考虑戒理想结 台应力与位移在界血处连续过渡 J但 面的结台不可能过于完美 J 由于工艺围素界面处将 有一定的反应屠该屡的弹 生生能将与基体 及纤维部不 同，冈而一些研究模型将界面考虑为第三相采用弹簧 模型引了田向剐度 h 和法向刚度 当 且 一。c时界面是完美结台当 _ O C,且 h 0 时 界面 勾完全润滑态当 h o c,且 0耐、界面 为法向脱粘当 _ 0且 h 叶0时界面完全脱粘 Ma h i o u和 Be a k o u I 1采用这一方法计 了玻璃纤维增 强环氯耐脂复合材料在儿种界面结台状态下的弹性 l生能 受材料的极限抗拉强度结果显示界面在完全结台 号 完全润滑条件下，平行纤维方向的抗拉强度相等这一 结果与多数实验现象 不符界面强度对复合材料的景 终 强度有较 (的 响 1 0 J 不仅制 作工 艺可 彬响 界面 外界困素也研样可以改变结合强度 如循环变形 1 J、外加电脉冲 I J 等通过循环变形改变界面军 台强度来研 究界面对复 材料性能的影响屉一个新的思路 这方面进 行的工作不多衣丈将在实验工作 l J 的基础上从理论 方面连 步研究界面对复合材料整体l生能的影啊 1 裂纹几何 纤维增强复台材料巾的裂纹有两种类型：一种是由基 俸材料巾的缺陷萌生导致的内部埋藏型裂纹马一种是由 皇 二 维缺陷导敛早期纤维断裂而形成裂纹 坷种裂纹与纤维 寸及体积分数的关系分别阐述如下 L1基体埋藏型裂纹 如图 1所示，西 为纤维直径 m；2 a为田基体缺 陷形成的圆形裂纹的R寸 l m：f为纤维间距，l m纤 维体积分数 一：由图 1的几何关系可知 2 a=V 2 f dr 由式 c 1 2)得=(斗 图 1 复台材料基体 中直径为 2 n的埋藏型裂纹 意 Fi g 1 S c h e m a t i c di a g r a m of a n e m b e dd ed c i r c l e J a c k w i t h l en g t h 2 a i n c o npo s J t e m a t r i x 1 2 纤维断裂型裂纹 由丁纤维都是埋凡基体的，由纤维断裂形成的裂纹也 是埋藏型裂纹夫壁实验表明 I，f 维断裂后 由于附 近未断裂纤维的约束作用仍需继续变形才能将裂纹扩展 到临近纤维的边 所以初期形成的裂纹lP寸为纤维的直 径即 2 a=d f 本实验采用的 f=4 2 9 和 d r=9 1 5 n l 1 0。代 八式(3)分别得：2 a=8 3 4 I I l(对 于摹体埋藏型裂纹)：2 a=9 1 5 l l l(对 j 纤维 断裂 型裂纹 1 比较这两类裂纹可知囤纤维断裂形成的裂纹较大 f 其R寸固定：基体埋藏型裂纹与纤维的体积分数有关 2 剪切应力场与界面脱粘长度 由断裂力学町知裂纹长度 勾 2 n的裂矣应 场 为=(0 3 “j J (n Sill萼)、j l H i ：K I c。s _ _3 o (6)j j )式 中 1为 应力强 度日子 r和 为概坐 标 系中的 芈 标通常 I：y d (式 中 Y 为几阿形状因子，对 f基体埋藏型圆裂纹，：0 6 3 6)5 1考虑沿纤维方向，即：9 0。，且剪 刀 应力 达到界面剪切强度 时 纤维与基体界面将发生剥离 由式(6)争=T i，r：r 0 I l勾脱粘R寸1 并将式(7)式中 口 身复合材料强度式(8)表明，随界面剪切 强度降低脱粘尺寸增人，这与实验现象相符 即界面结 台强度降低 导致纤维拔出量增大 2 J _假没由丁内部基 l l r 碍 凡 代 维普资讯 http:/ 4期 柳水宁等：循环变形提高 S i C纤维增强铝基复台材料强度及塑性 I I理论分析 3 8 3 体形成的是圆形裂纹 裂纹形状日子系数 Y=0 6 3 6 1 1 5 J，F 1 0 0 0 MPa，考虑基体缺陷与纤维断裂两种裂纹萌生 机制 图 2给出了采用式(8 1预测的脱粘长度与界面结 台强度的关系从图可见在同等界面结台强度条件下 由于纤维断裂导致裂纹尺寸增 九_固而产牛的脱粘长度也 相 应增 凡 5 0 60 7 0 8 0 g 0 1 OO 圉 2两种机 制中界面脱粘长度与 界面剪饲强窟的关秉 Fi g 2 I n t e r f a c e d e b o n d i n g l e n g t h f 0)s i n t e r f a c e s h e a r s t r e n g t h f n1 o b t a i n e d f r o m Eq(8)f c ur 1 m a t r ix e m b e de d c r a k m e c ha ni s m C(L r v e 2 fi b e r f r a c t u r e i t l e c h a n i s n )3 复合材料强度与界面结合强度及脱粘长度关系 在应力场 的诈用 F，裂纹尖端 附近区纤维与基体界 面满足剪切应力等于界面结台强度条件 F界面将发牛脱 粘如图 3所示脱牯的界面将失去传递载荷作用 此 段纤维只承受未脱粘部分传递的载荷 当未脱粘部分在临 界长度 f 2上传递的载荷达到纤维的断裂强度时，裂纹 尖端附近的 维将发生断裂圉而有 1 f c 2-0 唾。=矗 d r(9 11 nI _广|_ I 囤 3 裂纹 _尖端应力场分布、脱粘程度 厦纤维 临界长度示意囤 F i g-3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f s t i n t e n s i t y fi e l d(J i t-t e r f a c e d e b o n d i n g Le n g t h(r。)a n dfi b e r c r i t l c a 1 e tW h )将式(6 7)代入式(g J 并令 0=9 0。，得 f 1 O 1 如 果取固定的临界长度=2 9 4 0 MP a J、d r=9 1 5 m，a=4 1 7 m y=0 6 3 6 J由式(1 0)计 算的复台材料抗拉强度与脱粘长度如图4所示 可见抗拉 强度随脱粘长度增加而增加 时考虑脱粘长度与临界长 度的变化 图 5给出了抗拉强度与这两个变量的关系在 一定范围内 抗拉强度随脱粘 艮度与临界长度的增加而增 加，达到极限后强度随脱牯 长度与临 界长度的增加而减 小 这一结果很好地解释了文献 1 0】的实验现象，即复台 材料的强度随循环变形周次增加而增加这是由于在短期 的疲劳作用下 界面结合强度逐渐降低脱粘长度与纤维 断裂临界尺寸增加 导致强度升高但达到一定临界尺寸 后，强度将会降低，这与传缱的疲劳损伤理论 致 文献 1 4 l 采用顶出法测量了此种复台材料丝的剪切 结合强度为 9 0 MP a，采用此强度值与式(8)，考虑两种裂 圈 4 仨 同临界t 之 度条件 l、脱拈托度与复台材料强度的关系 Fi g 4 Re l a t i o n s h i p o f c o mp o s i t e s t r e n g t h(1 a n d d e b o n d-i n g l e n g t h(。)a t d i ff e r e t l t fi b e r c r i t i c a l l e n g t h s()1 4 0 0 1 3 5 0 1 3 0 o 1 2 5 0 1 2 0 0 图 g 复台材料强度与脱牯 长度“杖纤维临界 度的关 系 Fi g g Ra l a t i o t l s h i p c a l c u l a t e d c o mp o s i t e s t r e n g t h c 1 wi t h d e b o n d i n g l e n g t h(r。)a n d fi b e r c r i t i c a l l e n g t h (f )一 蚰 如 加 维普资讯 http:/ 3 8 4 金属学报 3 8 卷 纹 萌牛机制，得到脱 粘长度 r。为 l 3 1和 1 4 3 u I n 分 别 对应基体和纤维萌生裂纹机制将其代入式(1 0 j 计算得 到 对应 的纤 维 临界长度 t 分别 为 2 5 0和 3 4 5#i n 界 面 剪切强度与纤维临界长度的关系如下 1 将 a f=2 9 4 0 MPa，d F 9 1 5#i n和 r i=9 0 MPa代 入式(I I)，计算得 2 =2 2 4 p m 与式(1 0 j 计并结果较好 吻合 将式(3)代八式(8)得 d f 三 三 一 (、卉一 )。)“。f l 2)取d f=9 1 5 m，I c=2 4 0 m r。=1 2 4 p m，o f=2 9 4 0 MP a 代入式(1 2)可给出复台材料强度 与 纤维体积分数#f 的关系从图 6可见强度与体积分数 近似成线性关系在 f=4 2 9 时：1 i 0 0 MP a，与 文献【1 0 l 的实验结果吻合较好，当 f=1时计杆的结 果接近纤维强度式(1 2)从断裂力学以及界面结合强度 的角度再现了混台定则关系 式(1 2)及图 6的结果较好地解释了循环变形对复合 材料强度的影响 但文献 l 0 的实验结果表明，经循环变 形后复台材料的塑陛和强度同时提高式(1 2)并未给 这一结果对于长纤维增强的复台材料 体塑性较 围 6 珂测的夏台材料强度与纤维体积丹 数关 景 Fi g 6 Co mp o s i t e s t r e n g t h(o-f)s fi b e r v o l u me f r a c t i o n ()c a l c u l a t e d f r o m E q(1 2)低主要取决于纤维的变形能力 S i C 纤维不可能发生 塑性变形 当复合材料的强度提高后，将导致 S i C纤维的 弹性变形增大这一变形将被基体材料的约束而保留，宏 观表现为塑陛增加 文献 1 0 1 中图 4 b的结果表明了这一 点经过循环变形，纤维断口呈现较多的碎片断口的尺 巾陵原始态明显增自 表明纤维经受了较大的变形断裂 前吸收了较多的功因而纤维增强复合材料的强度与塑 性同时增加是可 理解的 4 结论(1)考虑基体缺陷引八埋藏型内部裂纹由断裂力学 获得了纤维增强复合材料强度与脱粘长度 纤维临界长度 及纤维体积分数的定毋关系式谚公式较好地预测了纤 维的临界长度，以及强度与纤维体积分数的关系并再现 r 复合材料混合定圳(2)该公式较好地解释 厂 丝状复合材料强度随短期循 环变形载荷与周次增加而增加的现象其原因是在循环变 形中纤维与基体界面结合强度发牛变化，导致纤维临界 长度与脱粘长度发生变化从而使复台材料强度增加，阻 这种增加是有限的和有范围的超过这一限度继续疲劳将 导致强 度下 降 参考文献 _ 1 _1 C l y n e T W，V i t h e r s P J4 n l t t v d u c t i o n t o Me t a l Ma t r i z Co m p o s i t e s Ca m br i dg e：(；a m b r i dg e Uni v e r s i t y Pr e s s 1 9 93：1 6 6 2 Qi a o S R 吖 J f e c h a n c a l 尸 P e r e (!o m p o s t e s Xi a n N o r t h we s t e r n P ol y t e c hn i c al l-ui ve r s t y P1 9 97：7 8 【生 复旨材料细嘎 学 生稚 堂：f呵北】业大学出咂祉 1 9 97：7 8)【3 A i J a n t h C R，V o l e S R C h a n d r a N C o r r p o s i t e s，1 9 9 8；2 9 A：】2 0 3 【4 J C o o p e r G K e L l y A 1 n V e n a t F W e d，Me c h a n i c s o f Co r r*p o s i t e M at e r g a l s Lo n don：Pe r ga m o n Pr e s s I 1 9 7 0：6 5 3 5 Y u C r Me t a l Ma r l z(2 o mp o s 2 t e s B e ij i n g：Me t a l l u r g i c a l l n du s t r?Pr e s s I 1 9 9 5：1 4 4 (十春 田 金属基复台材料北京 冶 业 版社l 9 9 5：1 4 4 1 6 J Ma h i o u H、B e a k o u A C o r n p o s z t e s，1 9 9 8；2 9 A：1 0 3 5 7 J A c h e n b a c h J D，Z h u H J Me c h P h y s S o li d s 9 9 8 1 3 7：3 8 1 8 T h e o c a r i s P S，S i d e r s E P，C a p a n i c o l u G，R e l n，t Comp os、1 9 8 5：4：39 6 【9 J P b e r t s o n D D Ma l l S 。”。s S c i T e c h n o l 1 9 9 4；5 2：3l g l 0】L i u Y N C h u L P，H e Jw，Y a n g S L c 缸 e f S i n 2 0 0 2；3 8：37 6 f 御 隶1 莲丽平何家文 场盛良金属学报2 0 0 2：3 8：3 7 6)1 1 Gu o S q K a g a w a Y c k Ma e r，I 9 9 7；4 5：2 2 5 7 1 2 J L i uY N，K a n g W，H e Jw，Z h u zM A c t a Ma t e r C o m p o S i n，2 0 0 l 1 8(4)：4 2 f 卿承 甫伟何家文朱祖铭豆台材料学报，2 0 0 1；1 8(4)：4 2)1 3 X a d e r 0 D J a IT l e s A D J O M 2 0 0 0；5 2：4 0 1 4 Y a n g S L P h D T h e s i s，N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e Te c h no l og y，Ch an g s ha，1 9 9 9 (杨盛 良 匿防科学技术大学博 l 学位坨文长沙 1 9 9 9 1 l 引 Li z A d i n zH T h e F r a c t u r e T h e o r i e s f o rPres s u re V e s s e l s a n d Ea l u a t i o n o f D e c t s Da l ia n：Da l i a n U n i v e r mt y o f Te c hn ol o g y Pr e s s，1 9 94：4 8 (事志安金志浩压力容器断裂理论与 陷砰症 大连：大连 理工大学出版社 1 9 9 4：4 8 1 维普资讯 http:/