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1、金属基复合材料的力学性能 以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。按所用的基体金属的不同，使用温度范围为350～1200℃。其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。例如碳纤维增强铝复合材料其比热度3～4×107mm，比模量为6～8×109mm，又如石墨纤维增强镁不仅比模量可达1.5×1010mm，而且其热膨胀系数几乎接近零。金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶
2、须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、美基、铜基，钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。由于这类复合材料加工温度高、工艺复杂、界面反映控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂及复合材料，应用范围较小。近年来,金属基复合材料以其高的比强度、比模量、较好的耐热性能,良好的抗蠕变、抗疲劳、抗磨损性能,以及低的热膨涨系数受到了广泛的重视,在航空航天及汽车工业等领域有着广阔的应用前景。颗粒增强金属基复合材料被认为是制造汽车发动机连杆、活塞及刹车片等零件的优良材料;纤维增强金
3、属基复合材料已被用来制造航天飞机轨道器主骨架、制动器支撑架及火箭发动机壳体等[1,2]。但是,金属基复合材料在高温制备的冷却过程中由于组分间热膨胀系数(CTE)的差异,会产生较大的热残余应力,通常基体相为拉应力,增强相为压应力。当CTE差异较大时,即使温度变化很小,也会在基体中产生较大的微观热应力,在界面形成应力集中。大量的研究表明,复合材料中的热残余应力对其力学性能有至关重要的影响。例如,存在较高残余应力的复合材料中,基体中亚晶粒的尺寸明显低于未增强基体合金中亚晶粒的尺寸,而位错密度却比未增强基体合金高10~20倍;另
4、外,复合材料由于残余应力的存在,导致在远低于?0.2的应力下,应力?应变曲线便开始偏离线性关系,复合材料的比例极限接近或略低于基体合金;同时,复合材料中的残余拉应力会导致复合材料压缩屈服强度较拉伸屈服强度高.金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有:(1)基体与增强体之间界面结合良好;(2)温度变化;(3)增强体与基体之间的热膨胀系数差异。除了与上述因素有关外,热残余应力还受增强相体积分数、形状和长径比等因素的影响。当增强相的体积分数增加时,增强相间的相互作用增大,基体中热残余应力将增加。增强相的形状和长径比主要通过
5、影响热应力松弛情况来影响残余应力的大小对于金属基复合材料热残余应力的分析主要通过实验研究和模拟分析的方法。而在实验研究中,以前的有损分析,包括钻孔法、环芯法等,由于对材料的破坏性,几乎已经不用,取而代之的是无损分析,例如X射线衍射和中子衍射等。理论分析材料的残余应力有两种方法一种是利用简化同轴圆柱模型,采用力学基本公式,再加上边界条件和变形协调方程进行近似的理论推导。另一种是计算机有限元模拟复合材料中热残余应力的分布状况。理论分析的方法能借助现代计算机快速运算能力方便、快捷地模拟出复合材料的热残余应力,特别是对于实验测定
6、难以实现的热残余应力分析,例如复合材料界面处的应力分布。但在计算过程中,理论分析的方法都对边界条件进行了简化和近似处理,因此,所得结果与实际应力分布情况仍然有一定的差距金属基复合材料由于其组成的特点,增强体和基体之间的热膨胀系数(CTE)的差异,在由高温冷却下来时,必然会在材料内部产生热残余应力。可以通过X射线衍射、中子衍射法、基片弯曲法、Raman光谱法、选择性基体腐蚀法和电子莫尔波纹与顶出实验相结合的方法对金属基复合材料的热残余应力进行定量测量。在实际测量过程中,作者建议将2种或3种方法结合使用,这样就会减少由于实验
7、的系统误差所带来的结果偏移,而得到更准确的测量结果。同时也可以通过理论分析对复合材料中所存在的热残余应力进行计算和模拟。尽管如此,仍存在着不少问题,例如最受关注的复合材料界面微区应力测量方法和分析还有待进一步完善;理论分析中的对各种材料所提出的分析模型及其边界条件的简化还有待斟酌和完善。热残余应力对于金属基复合材料的组织结构和力学性能有重要影响,但是由于复合材料内部热残余应力对其宏观力学性能影响的复杂性,目前对其规律和机制的认识还缺乏系统性,需要材料工作者进一步研究 金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者
8、的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着其价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。为此全球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开
