金属基复合材料的损伤和失效

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1、金属基复合材料的损伤与失效金材普08-01王著光由NordriDesign提供www.nordridesign.com第8章金属基复合材料的损伤与失效金属基复合材料的损伤及失效机制通常包括三种形式:（1）增强相的断裂（2）增强相和基体之间界面的脱开（3）基体内孔洞的成核、长大与汇合导致的基体塑性失效1损伤理论1.1材料的制作因素为了制成实用的金属基复合材料构件，需对金属基复合材料进行二次成型加工和切削加工。由于增强物的加入给金属基复合材料的二次加工带来很大的困难，如陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料

2、，增强物硬度高、耐磨，使这种复合材料的切削加工十分困难。所以容易出现材料的损伤和失效由NordriDesign提供www.nordridesign.com第8章www.nordridesign.com由于制造而产生的损伤和失效原因大致有以下几个方面：1）MMCs界面润湿性MMCs的界面问题一直是本领域研究的重大技术问题。MMCs的界面有3种类型：增强体与基体互不反应亦互不溶解；增强体与基体不反应但能互相溶解；增强体与基体互相反应生成界面反应物。结合的好坏直接关系到增强相和基体之间界面的连接。增强颗粒进入

3、基体金属熔体，并能很好的分散，首要条件是两者必须相互润湿。第8章www.nordridesign.com以铝合金为例，常用的增强颗粒Al2O3、SiC与Al的润湿性都比较差，他们的接触角∠大于90o。而有些增强颗粒表面存在氧化物，由于其吸附气体水分等，使得增强颗粒与金属基体的润湿性变得更差。2）界面反应程度界面过度反应生成脆性相在受力时起到萌生裂纹源的作用。界面结合力是表征界面结合状态的重要参数，因为界面有双重作用：一方面起到传递应力的作用，使增强体承担主要载荷；另一方面又以界面托粘和增强体的拨出使裂纹

4、偏移和吸收能量。第8章www.nordridesign.com虽然实验证明有最佳结合状态，但是复合材料的制作往往没能达到这种理想状态，所以导致损伤和实效。3)增强材料是否均匀分布基体MMCs的凝固过程由于增强体的存在，使其温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。增强材料的种类较多，在尺寸、形态、理化性能上也有很大的差异，使其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。第8章1.2增强相因素增强相在复合材料中起增强作用。纤维增强是复合材料中最主要的复合形式。复合材料的性能主要取决于纤维的性质

5、、数量及状态。纤维使复合材料具有高的抗拉强度、高弹性模量和高冲击韧性等性能。如碳纤维：碳纤维为有黑色光泽的柔韧细丝，一般单根纤维直径5-10ｕｍ，碳纤维的性能与石墨微晶尺寸、取向和空洞缺陷密切相关。若微晶尺寸大、结晶取向度高、缺陷少，则强度、弹性模量和导热导电性都显著提高。但在高温下与金属有着不同程度的界面反应，导致碳纤维损伤，故碳纤维用于金属基复合材料时，必须采用表面涂层处理加以改善。第8章金属基复合材料的损伤与失效1.3基体内孔洞成核、长大与汇合而导致的基体失效在金属基复合材料中，增强体和基体的相互

6、协调成了影响其超塑性的重要因素。在合金中，两相晶界间滑动被普遍认为是超塑性变形的主要机制。在金属基复合材料中，晶粒也要长大，而其长大的过程又受到增强体的限制，这就使大量位错在增强体附近沉积下来造成了应力集中，使孔洞得以形成和长大。因此，复合材料中影响超塑性的重要指标并不是晶粒度，增强体为孔洞的形核与长大所创造的条件则成了关键。超塑性材料一般都是空洞敏感材料，成型过程中空洞的演变会大大降低材料的成型性能及成形后零件的使用性能，因此超塑性材料成形过程中空洞损伤演变的规律具有理论价值和实际意义。但对于超塑性成

7、形这类高温、模腔封闭、变性机制复杂的金属成形问题，常规方法测试分析困难，成本高、准确性差，效果难如人意。而基于现代有限元方法的数值模拟技术则为此类问题的解决提供了有效地手段。第8章金属基复合材料的强度与损伤分析1.4MMCs损伤分析用细观计算力学的方法分析了金属基复合材料(MMCs)多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维/基体界面的脱粘和采用G2T模型描述韧性基体的损伤.并用上述模型分析了长纤维增强MMCs在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系

8、。MMCs具有高比刚度、高比强度等优良性能,但同时表现出比单一材料更复杂的力学行为,增强相附近会产生应力集中并引发材料损伤,如增强相断裂、界面脱粘和基体损伤等.在复合材料的分析中,界面分析是个关键.MMCs的界面往往很薄,远小于其增强相纤维或颗粒直径的尺寸。将界面处理为一组法向和切向的弹簧，用各向同性的无厚单元模拟了界面层，提出了界面的内聚力模型，对内聚力模型进行了总结和改进，第8章金属基复合材料的强度与损伤分析推导了基于内聚力本构的界面单