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1、第22卷第2期航空材料学报Vol.22,No.22002年6月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSJune2002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
2、。关键词:金属基复合材料;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:1005-5053(2002)02-0049-05[1~3]复合材料的强化机制和强度预报涉及到相关的强化模型很多,最简单的就是是混合定律。材料的组织设计问题,近年来一直是材料学的研根据混合定律,金属基复合材料的流变强度可以究热点。金属基复合材料尤其是颗粒增强金属基表达为:复合材料的强化机制极其复杂,虽然提出了很多Rc=RmVm+RpVp(1)[4][5,6]强化模型,0如混合定律、剪切套模型、球化式中:Rc-复合材料的强度;[7][8,9]模型、Esh
3、elby连续介质力学模型、有限元Rm-基体的强度;[10]分析数学模型等,但迄今为止缺乏一个完善的Rp-增强体颗粒的强度;理论。概括地讲,颗粒增强复合材料强化机制主Vm,Vp-基体、增强体的体积分数。[11]要有以下几点:¹材料受载时,增强体对基体利用混合定律预测的强度与实际强度值差异变形的约束或对基体中位错运动的阻碍产生的强很大,特别是在高体积分数时。主要原因是因为化作用;º基体向增强体的载荷传递;»增强体混合定律没有考虑诸如增强体的形状、空间分布加入基体,由于基体和增强体热膨胀系数不同导等与组织有关的因素对材料性能的影响。此外,致材料内产生热残余应力以
4、及由于热残余应力释对于增强体形状不规则的复合材料,混合定律的放导致基体中产生位错或基体加工硬化;¼基体等应变假设也不成立。因此该模型预测的流变应与增强体之间的界面结合状况及界面附近基体的力通常是正确值的上限。微观结构和化学性质。关于上述强化机制的相对剪切滞后模型是根据载荷在基体与增强体界作用程度还必须根据具体材料和材料变形不同阶面上传递的机制建立的。剪切滞后模型尤其是段来确定。目前金属基复合材料的增强机制尚不Nardone和Prewo的改进剪切套模型[6]可能是最明确,仍存在争议,一般认为主要有基体和增强体成功的一个[12]。在改进剪切滞后模型中,考虑到之
5、间的载荷传递、位错强化、沉淀强化、固溶强化、了载荷从基体传递到颗粒的过程中的主拉伸应力细晶强化、加工硬化、模量强化等。和剪切力。颗粒增强金属基复合材料的强度可由[6]下式计算出:1增强体承载与载荷传递Rcy=Rmy[Vp(s+4)P4+Vm](2)式中:Rcy-复合材料的屈服强度;金属基复合材料的主要强化机制是载荷从基Rmy-基体的屈服强度;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。Vp,Vm-增强颗粒、基体的体积分数;s-增强体的长径比。收稿日期:2001-09-21;修订日期:2002-01-21由该模型计
6、算所得的屈服强度值比实验所得[6]基金项目:国家自然科学基金资助项目(50071019)约大10%,而传统的剪切滞后模型预测值比实作者简介:陈剑锋(1977-),男,硕士研究生。验所测的要低得多。50航空材料学报第21卷[21]2基体中的位错强化轴的,则强化效果可以用下式预测:R=2GbPL(4)在金属基复合材料中,由于基体的热膨胀系其中L为颗粒间距数一般要比增强相的热膨胀系数大许多,因而在L=0.6d(2PPV1P2f)(5)制备和热处理过程中均可在基体材料中产生塑性[2]而且魏建锋等的研究结果并不符合这种机制。[13~15]变形而形成高密度位错,导致强
7、化。位错强这表明Orowan并不能完美解释复合材料的强化化被认为是MMCs的一种重要的强化机制。位机制。错强化的作用取决于增强体的尺寸和体积分Ramakrishnan综合了增强体承载和基体中[13,15~18]数。目前,大都借用描述弥散强化合金硬位错强化的作用,提出了球化模型[7]。它把复合化机制的位错模型。多数研究者过多地考虑因增材料分为如图1[7]所示的三个区域:弹性增强体、强体和基体热膨胀系数不同在基体中产生的初始周围的基体塑性区和外围弹性区。位错密度分布的作用,较少考虑变形过程中位错[19]的行为。位错模型主要包括:(1)Orowan模型;(2)林
8、位错硬化模型;(3)弹性栓模型;(4)冲孔模型。Orowan模型认
