评定钛基复合材料界面强度的新方法

评定钛基复合材料界面强度的新方法 评定钛基复合材料界面强度的新方法 第37卷 2008钲 第5期 5月 稀有金属材料与工程 RAREMETALMATERIALSANDENGINEERING Vbl_37.NO.5 May2008 评定钛基复合材料界面强度的新方法 原梅妮,杨延清,李健康,罗贤,罗恒军 (西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072) 摘要:从微区角度建立了评定界面剪切强度的理论公式,用有限元方法验证该公式的准确性.此外,分析了钛基复 合材料底部脱粘现象的原因以及热残余应力对纤维顶出最大载荷的影响. 关键词:钛基复合材料;SiC纤维;界面强度;有限元分析 中图法分类号:TG146.4文献标识码:A文章编号:1002—185x(2oo8)o5—0779—05 界面强度对钛基复合材料的力学性能起着决定性 的作用q】.例如,当界面强度较低时,复合材料在受 力断裂过程中,纤维容易发生脱粘,拔出等,吸收断 裂能,从而提高复合材料的断裂韧性G而界面强度 较高时,基体中裂纹前端的应力集中不能引起纤维脱 粘,裂纹容易贯穿纤维,使纤维断裂.由于纤维断裂 吸收的能量远小于纤维脱粘和拔出时吸收的能量,材 料呈现脆性.所以,界面强度的评定引起了高度重视. 纤维顶出试验是测定钛基复合材料界面剪切强度的主 要测试技术.图1显示了纤维顶出试验典型曲线及纤维 顶出示意图. 考 g 毫 & 图1顶出试验示意图及典型顶出试验曲线 Fig.1Typicalpush—outtestcurveandtheschematic ofthepush—outtest 从图1可以看出,初始载荷随位移呈线性增加, 当载荷达到Pi后,,直线的斜率降低, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示此时界面开 始脱粘.当载荷继续增加到P,表示界面剪切应力达 到最大值,界面完全脱粘,此后由于界面的阻力仅是 摩擦力Pfr,载荷开始直线下降.由试验曲线可以获取 2个重要的参数Pm和P.然后根据公式(1): P ff— nd— fL 计算出界面剪切强度和平均摩擦应力硌.公式(1) 中,是纤维的直径,三是试样的长度,P为压力,在 计算和硌时分别代入Pm和P丘.纤维顶出试验计 算出的界面剪切强度是平均值.在实际复合材料中, 纤维脱粘时沿纤维轴向的拉伸力和剪切力分布是不均 匀的.另外,钛基复合材料界面逐步的脱粘过程是裂 纹尖端不断前移的过程,是一个微区失效过程.用平 均值来评价界面剪切强度是不符合实际情况的. 本研究详细分析了失效界面尖端受力情况,得出 新的评定界面剪切强度公式,由有限元模拟验证该公 式计算结果的可靠性.并分析了钛基复合材料首脱粘 位置在试样底部的原因以及热残余应力对纤维顶出试 验最大载荷的影响. 1新界面剪切强度公式的建立 导致钛基复合材料界面失效的剪切应力有3部 分:(1)热残余剪切应力:试样在制备过程中由于残 余应力的释放而形成的热残余剪切应力[.(2)摩擦剪 切应力研:纤维顶端施加压力后,脱粘的界面会有摩擦 应力产生,该摩擦应力符合库仑定律.(3)PbJJ1]载荷在 界面引起的剪切应力.当这3部分剪切应力之和大 于,等于界面剪切强度时,界面开始脱粘.由受力平 衡得到界面剪切强度公式(2)为: i=r+f+p 即: 一+ 彘+ (2) (3) 收到初稿日期:2007.05.09;收到修改稿日期:2007—12—24 基金项目:国家自然科~(50371069);教育部博士点基金(2o0306990l3);博士创新 ~(521030102—0400一w0l6l33)资助项目 作者简介:原梅妮,女,1974年生,博士,西北工业大学材料学院,陕西西安710072,电 话:029—88486091,E—mail:mnyuan@126.tom ?780?稀有金属材料与工程第37卷 比较公式(3)和公式(1),发现在传统的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 (1)中忽 略了摩擦应力和热残余应力的作用.公式(11从宏观角 度粗略的评价了复合材料的界面剪切强度,而界面失 效属于微区失效过程,从宏观角度计算的界面剪切强 度仅仅是一个参考值.'剪切残余应力也是导致界面失 效的一种应力,但从宏观整体来看,界面上剪切应力 为0,对复合材料界面失效不起作用.另外,从宏观 来看Pm.用来克服界面摩擦力(二者方向相反).但就 支撑端微区失效的剪切应力分析来看,P引入的界 面剪切应力和摩擦剪切应力的方向相同. CI FibeiMa1 Cra ' ?一 rr rp ?一 rf 图2界面承受的各种剪切应力示意图 Fig.2Schematicrepresentationsoftheshearstressatthe interfaceduringpushouttest 2有限元分析计算 有限元分析主要是测定裂纹尖端热残余剪切应力 和界面剪切强度.测定裂纹尖端残余剪切应力的目的 是为了满足公式(31的计算需要,界面剪切强度的评定 主要用来验证公式(31.有限元模型采用轴对称圆柱模 型,如图3所示.SiC纤维半径为70Ixm,基体半径 为112Ixm,试样的高度为500Ixm.纤维和基体采用等 参四边形单元,界面采用弹簧单元(如图4所示1. 有限元模拟包括2个过程:(11试样冷却.在试样 冷却过程中,需考虑试样制备中残余应力的释放.(2) 在纤维顶端施加载荷的过程.纤维与基体的界面脱粘 过程用子程序来控制【5,].以SiC/Timeta1834为例, 各种性能参数如表1所示. 表1 Table1 有限元分析中SiC纤维和Timetal-834材料的性能 Thermo-elasticparametersofSiCandTimetal一834 usedinfiniteelementanalysis 图3纤维顶出试验的轴对称有限元模型 Fig.3Axis—symmetricfiniteelementmodelforthepush—outtest 图4弹簧单元详细示意图 Fig.4Detailsschematicofthespringunitofinterface 3结果与讨论 3.1界面剪切强度的计算 由公式(3)计算界面剪切强度,需得知裂纹尖端热 残余应力,纤维顶出试验中的最大载荷,界面摩擦力. 裂纹尖端热残余应力通过有限元模拟试样的冷却过程 获得.图5为有限元模拟SiC/Timeta1834获得的界面 热残余剪切应力分布.在界面裂纹尖端,热残余剪切应 力大小为327MPa,即327MPa.图6是实测的 SiC/Timetal一834纤维顶出试验压力与压头位移的关系 曲线.由图6可以获取纤维顶出试验的最大载荷Pm =31N和界面摩擦载荷=15N.SiC纤维半径为7O Ixm,试样的长度L=500Ixm.把上述参数带入公式(3), 求得SiC/Timeta1834界面剪切强度为536MPa,而以前 应用的计算界面剪切强度公式(1)计算出界面剪切强度 仅仅为141MPa.公式(3)和公式(1)计算出的界面剪 切强度差距达400MPa.造成巨大差距的主要原因是公 式(1)在评价界面剪切强度时忽略了热残余剪切应力和 界面摩擦应力的影响.此外,复合材料界面脱粘过程就 第5期原梅妮等:评定钛基复合材料界面强度的新方法?781. 是裂纹尖端不断前移的过程,是一个微区失效过程.从 宏观角度建立评价界面的剪切强度的公式不合理. 为了验证公式(3)计算结果的准确性,用MARC有 限元软件预测SiC/Timeta1.834的界面强度.首先在界 面剪切强度为500MPa,界面摩擦系数分别为0.3,0.4, 0.5的情况下,模拟不同的纤维顶出试验曲线(如图7所 示).与图6对比可知,当界面摩擦系数为0.4的情况 下,有限元模拟得出的界面摩擦力与纤维项出实测曲线 的摩擦力一致.接下来在假定界面摩擦系数为0.4的基 础上,不断改变子程序中的界面剪切强度,得到不同界 面剪切强度下纤维顶出模拟曲线(如图8所示).从图8 可以看出,界面剪切强度为550MPa时,最大顶出载 荷与实际相符.所以,由有限元分析得出SiC/Timeta1834 的界面剪切强度为550MPa.Chandra等人[用有限元 分析得出SiC/Ti.6AL.4V界面强度为600MPa.有限元 模拟预测的界面剪切强度进一步 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 了新建立的计算 界面剪切强度公式(3)的正确性. 图5界面剪切应力分布示意图 Fig,5Interfacialshearstressdistributionalongtheaxial direction 图6纤维顶出试验曲线】 Fig.6Theload—displacementcurvesofthepush—outexperiment 粘位置在试样底部【8],这与陶瓷基复合材料初脱粘位 置完全相反.由公式(3)计算得到,在钛基复合材料的 底部,裂纹尖端承受的应力为536MPa,而纤维顶端, 裂纹尖端承受的应力为118MPa.由公式(3)的计算结 果完全可以说明钛基复合材料的初始脱粘位置在试样 的底部.造成底部剪切应力高于顶部剪切应力的原因 是:在钛基复合材料试样的底部,热残余剪切应力与 施加载荷引入的剪切应力,以及界面摩擦剪切应力方 向相同,所以,裂纹尖端剪切应力大,为536MPa. 而纤维的顶端残余剪切应力与摩擦剪切应力以及施加 载荷引入的剪切应力方向相反,因此裂纹尖端剪切应 力减小,为118MPa.故钛基复合材料首先在试样的 底部脱粘.进一步说明了公式(3)的合理性,正确性. 而一贯采用的计算界面剪切强度的公式(1)根本无法 解释此现象. 毫 ? 图7有限元模拟不同摩擦系数的纤维顶出试验曲线 Fig.7Predictedtheload—displacementcurvesofthepush—outtest assul1datdifferentfrictionalcoefficients 耄 ? 图8有限元模拟不同界面强度的纤维项出试验曲线 Fig.8Predictedtheload—displacementcurvesofthepush—outtest assumedatdifferentinterfacialshearstrengths 3.3热残余应力对纤维顶出试验最大载荷影响 3.2底部脱粘现象分析热残余应力对纤维顶出试验最大载荷,应从 在钛基复合材料的纤维顶出试验中,发现初始脱宏观角度分析,其受力示意图如9所示.纤维承受的 ?^H,s?0扫?JB0?一瘩0《0甚H N/p?0它DI1??《 ?782?稀有金属材料与工程第37卷 力主要有4部分,(1)纤维顶端施加的外载荷P;(2)轴 向热残余力Fr;热残余剪切应力关于纤维是反对称的, 为0.(3)界面摩擦力;(4)界面的结合力.故最大载荷 在数值上等于: P一=++Fe(4) 公式(4)中为纤维中承受的热残余力,为界面结合 力,为界面摩擦力.界面结合强度是材料的一种物 理性能,是常数,故界面结合力恒定,界面摩擦力 遵循库仑定律,随着径向残余应力的增大而增大. 当钛基复合材料在不同的温度下进行纤维顶出试验 时,随着温度的升高,钛基复合材料内部的热残余力 必然降低,相应的摩擦力也降低,所以,最大顶出载 荷必然降低. Cracktip Cracktip 图9界面承受的各种应力示意图 Fig.9Schematicrepresentationoftheforceattheinterface duringpushouttest Eldridge?etal,Kalton实测不同温度下纤维顶 出试验曲线正好验证了上述理论.图l0显示了不同温 图1O实测的不同温度下的纤维顶出试验曲线Sigma一1240/ Ti.6A1.4V Fig.10Theload-displacementcurvesforpushoutofTi-64/ SIGMA-1240atdifferenttemperatures 度下实测的纤维顶出试验曲线.由图l0可知,随着温 度的升高,最大顶出载荷降低.即随着残余应力的降 低,纤维最大顶出载荷降低.另外,用MARC软件模 拟了28,300和500?下的纤维顶出试验(见图11).该 图反映了随着测试温度升高,最大顶出载荷减小.谤 明从宏观的角度建立评定纤维顶出试验最大载荷公式 (4)是合理的. 图l1有限元模拟不同温度下的纤维顶出试验曲线 SiC/Timeta1.834 Fig.11Predictedtheload?displacementCurvesofthepush-out testassumedatdifferenttemperatures 4结论 1)建立了新的评定界面剪切强度的公式: f:f.+L+坠.. dLdL 2)得出SiC/Timeta1834的界面剪切强度为550 MPa. 3)纤维顶出最大载荷随着热残余应力降低而降 低. 参考文献References [1】YangYQ,Dudek.HJ.ScriptaMaterialia[J],1997,37(4):503 [2】YangYQ,DudekKumpfertHJ.Materialsscienceand EngineeringA[J】,1998,A246:213 [3】AkiraFukushima,ChikaraFujiwara,YutakaKagawaetaL MaterialsScienceandEngineeringA[J】,2000,A276:243 [4】KagawaY,FujitaT,OkuraA.ActaMetallurgicaet Materialia[J],1995,42(9):3019 [5】YuanMN,YangYQ.ScriptaMaterialia[J],2007,56(6):533 [6】ZengWD,PetersWM,TanakaY.Composites:P口A[J】, 2002,33:1159 [7】ChandraN,AnathCR.CompositeScienceandTechnology[J】, 1995.54:87 第5期原梅妮等:评定钛基复合材料界面强度的新方法?783? 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Keywords:Ti— matrixcomposite;SiCfiber;interfacebondingstrength;finiteelementanalysis Biograpby:YuanMeini,Ph.D.,CollegeofMaterials,NorthwestemPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,R.China,Tel:0086—29— 88486091,E—mail:mnyuan@126.corn