金属基复合材料的微屈服行为

文章编号:10042793X(2002)0420594203

材　料　科　学　与　工　程MaterialsScience&Engineering

总第80期Dec.2002

金属基复合材料的微屈服行为

吴　晶,李文芳,蒙继龙

(华南理工大学机械工程学院,广东广州　510641)

　　【摘　要】　金属基复合材料(MMC)的微屈服行为有其特殊性,主要表现在基体中的热残余应力水平和位错

组态与宏观屈服阶段显著不同,因而表现出的力学行为也不同。本文综述了金属基复合材料微屈服行为的宏观表现和微观特性,并对其研究发展进行了概述,指出了有待深入研究的问题。

【关键词】　金属基复合材料;微屈服;位错;热残余应力中图分类号:TG151　　　　文献标识码:A

MicroyieldBehaviorofMetalMatrixComposites

WUJing,LIWen2feng,MENGJi2long

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou　510641,China)【Abstract】　DuringtheMMC’smicroyieldprocesstheresidualstresslevelanddislocationconfigurationinthematrixisquitediffer2

entromthoseinitsmacroscopicalprocess.Soitsmechanicalbehaviorisquitedifferentalso.ThispapersummarizestheMMC’smicroyieldbehavior’smacroscopicalbehavior,microcosmiccharacteristicandthedevelopmentlevel.Theproblemstobefurtherstudiedwerepointedouttoo.

【Keywords】　metalmatrixcomposite;microyield;dislocation;thermalresidualstress

1　前　言

材料的微屈服行为是指塑性应变很小时材料的应力与

-6应变关系(通常指(1～2)×10残余应变量),它反映了材

2　金属材料微屈服行为的

Brown2Lukens关系

　　现在普遍认为[2],微屈服行为是少数晶粒或区域内有位错短程运动的结果,而当应力增高到能激发大量晶粒或区域内的位错开动时,迅速贡献出较大量的塑性变形,此时材料已进入了宏观屈服阶段初期。

根据位错理论,Brown和Lukens提出了金属材料微屈服应力同微塑性应变之间存在如下关系[3]:

32ρd(σ-σ0)P

ε(1)=

σ2G0

P

式中:ε为微塑性应变,ρ为可动位错密度,d为晶粒尺寸,σ0为第一个位错运动所必须的应力,σ为施加的应力,G

料在微小变形量情况下抵抗塑性变形的能力[1]。材料的微屈服行为对它的许多力学行为尤其是尺寸稳定性有重要的影响,是精密机械、仪表零件、航天器惯性器件和红外探测器等选材时必须考虑的一个重要问题,对于某些精密零件与仪器设备,尺寸不稳定性应限制在10-6～10-7,同时还必

须保证在恒温和交变温度(-50℃～+100℃范围内)长期使用的条件下有必要的尺寸稳定性。金属基复合材料(MMC)以其较高的比模量、比强度和较低的热膨胀系数等优越性能而成为这类精密零件的良好用材,但在使用前,必须考虑金属基复合材料的尺寸稳定性问题。通常,材料随时间的微塑性变形抗力越大,则在使用状态和长期保存时其尺寸稳定性越高。显然,金属与合金的微塑性变形抗力的指标表征着其尺寸稳定性,一般公认为以材料的微屈服强度作为衡量其尺寸稳定性的重要指标,因此对金属基复合材料的微屈服行为进行研究有其明确的应用背景和实际意义。

收稿日期:2002204224;修订日期:2002206211基金项目:国家自然科学基金资助项目(19972021)

为切变模量,上式也可改写成:

1Π2

σ=σε0+KP式中,K=

(2)

3

σ(ρ2Gd)。显然σ0和K均为材料组织结构0Π

敏感参数。

(2)即为描述金属材料微屈服规律的经典的式(1)、

Brown2Lukens关系,它是根据只存在晶界对位错的障碍这一

基本假设推导得到的,原则上只适用于纯金属多晶体。但

),男,广东清远人,博士生,从事金属基复合材料细观力学研究.作者简介:吴晶(1974—

第20卷第4期吴　晶,等.金属基复合材料的微屈服行为　・595・

对于实际工程应用中的合金和金属基复合材料Brown2

Lukens关系也具有一定的指导作用,例如对于2024铝合金

时,硬质增强体不能随周围延性基体的变形而协调变形,只能以位错来补偿,其驱动力是外载和热残余应力,但这些位

错并未发生缠结和形成位错网络[7],大部分可视为可动位错,而热残余应力并不足以使这些位错长距离滑移,但可与外载荷叠加推动位错运动,加速随后的塑性变形。因此在对金属基复合材料施加外载前,这些位错仍处于原来的静止状态。在外载作用下,基体内有大量的位错可参与滑移,迅速贡献出大量的塑性变形,导致微塑性变形抗力降低。即在微塑性变形阶段,位错密度越高,基体的微塑变抗力越低,这恰好和宏观塑性变形阶段相反。由于微屈服过程消耗了大部分的可动位错,因此在进入宏观屈服后,必须增加外力,才能产生新的可动位错,即位错增殖,同时大量位错形成位错缠结和位错网,使位错难以滑动,导致塑性变形抗力大大提高,因而出现硬化率提高现象。即宏观屈服后的位错具有塑性强化作用,甚至超过增强体本身的强化效果[8]。由此可见金属基复合材料的微屈服行为在热残余应力和位错组态方面有其微观特殊性。的微屈服试验结果表明,退火态、固溶态和充分时效态的2024铝合金的微屈服行为也符合Brown2Lukens关系,这是由于这些热处理状态的材料比较“干净”,可近似认为只存

1Π2

εP的关系。但对于具在晶界障碍,从而表现出σ=σ0+K有时效强化效果处理状态下的2024铝合金,因为分散分布

于基体中的强化相间距极小,它们先于晶界对位错短程滑移起强烈阻碍作用,故使得材料的硬化率迅速上升,此时材料不符合Brown2Lukens关系。而对于金属基复合材料而言,研究结果也表明在一定条件下,材料的微屈服行为仍然符合Brown2Lukens关系[1]。

[4]

3　MMC微屈服行为的微观特性

金属基复合材料是由金属基体和硬质分散相组成的复合体,这样的微观结构决定了其在应力场中变形的非协调性,进而在基体的某些部位产生应力集中,过早发生塑性变形进入微屈服阶段。在宏观屈服之前的这段过程是微观塑性积累和微结构演化(特别是位错组态和运动)的过程,它与复合材料发生了宏观屈服后的塑性变形相比有很大不同,主要体现在复合材料基体中的热残余应力水平和位错组态的不同,因而其表现出的行为也不同。在金属基复合材料的微屈服行为中,热残余应力是一个重要的影响因素。金属基复合材料是由硬质增强体与金属基体组成的复合体,由于增强体与基体的热膨胀系数有显著差异,在材料制备冷却后或经历一定的热处理,必然在其内部产生较大的热残余应力,通常在基体内为拉应力,在增强体内为压应力,如果增强体和基体的热膨胀系数差异较大,即使温差变化不大,也可产生较大的热残余应力。如果基体局部区域受到的热应力达到了基体的屈服强度,将会直接引发塑性变形,使所受到的热应力发生部分松弛。另外,金属基复合材料组分之间弹性性能的差异导致了变形的不协调,并且在界面附近产生了较大的应力集中,这样,当金属基复合材料在受到远比宏观屈服极限小的外载时,也容易发生塑性变形,从而过早地进入塑性屈服阶段。在宏观屈服之前的这段过程是微塑性变形过程,它和宏观屈服之后的宏观塑性变形过程有很大不同。

金属基复合材料在进入工程屈服后,基体内已经开始大面积屈服,且基体本身的塑性应变要大于复合材料所表现出来的宏观塑性应变[5],基体大面积、大变形的塑性流动,已逐渐将热残余应力松弛掉,使得较大塑性变形时热残余应力的影响程度相对于微屈服阶段已微不足道[6]。另一方面,在未加外载荷前,界面附近较高的热残余应力即可诱发大量的基体位错,甚至推动位错运动,产生塑性屈服,热残余应力本身也得到松弛。有研究表明,SiCΠAl复合材料在由制备温度冷却时,热残余应力可将位错密度提高1～2个数量级[7]。另外还可产生另一类位错,即“界面几何位

(geometricallynecessarydislocations)。当界面粘结良好错”

4　MMC微屈服行为的实验方法金属基复合材料的微屈服实验主要包括微屈服拉伸实验和材料微观组态观察等,存在较大的困难和影响因素的复杂性。在微屈服实验方面,为保证测试精度,测试仪敏感量应达到10-7数量级。加载方法可采用连续加载法或加载-卸载法。其中连续加载法可避免力学微循环强化现象,此外由于微屈服实验中的加载时间很短,可认为温度近似不变,避免了加载-卸载法中的温升、温降造成的应变测量的误差。但是其不利之处是必须精确测定弹性模量,故比加载-卸载法的精度略底[4]。

复合材料微观组态的观察应采用透射电镜观察,实验过程应尽量减少制样和操作等引入的变形和位错等误差影响因素。例如由于试样装夹造成的变形在电镜观察时常常可以看到等倾条纹,或近似平行排列的长的位错,这些位错有可能和真实位错相混淆,难以区分。因此应采用仔细正确的装夹操作,多观察几个试样及每个试样的不同区域,并且选取视场中占有较大比率的位错组态作为典型组态,这样才能使观察的结果更准确可靠[9]。

5　MMC微屈服行为的实验研究

目前金属基复合材料(MM)的微屈服行为已经在国内外学术界引起广泛重视并进行了大量研究。Mohn[10,11]研究了颗粒增强金属基复合材料的尺寸稳定性问题,提出应对微屈服行为和热处理工艺进行研究。此后Barlow[12]和

[13]

Kumar等参考铝合金的尺寸稳定化热处理工艺,提出利用冷热循环消除热残余应力,稳定位错组态,提高微屈服强度。国内学者李义春[1]等也对不规则棱形SiC颗粒和球形Al2O3颗粒增强铝基MMC的尺寸稳定化处理工艺,特别是冷热循环处理对MMC的微屈服行为和尺寸稳定性的影响

　・596・　　　材料科学与工程

2002年12月

进行了深入研究,指出颗粒增强铝基复合材料的微塑变过程可以用Brown2Lukens规律去描述,冷热循环处理没有从

本质上改变复合材料微屈服行为的宏观规律,但冷热循环次数对复合材料的微屈服行为有重要影响,冷热循环可改变残余应力水平,进而可改变基体内的位错组态,特别是可动位错密度。对小应变量下的球形Al2O3颗粒增强铝基

MMC微屈服强度而言,冷热循环次数越多,微屈服强度越

余应力及其引发的位错视为影响MMC微屈服行为的主要机制。但目前对金属基复合材料微屈服行为的研究基本局限在实验领域内,几乎所有的工作都集中在实验性工作上,即从显微组织和微屈服实验上定性地了解MMC微塑性变形的特点和机理,从而试图探索出MMC微屈服行为的规律,总结出提高其尺寸稳定性的工艺方法。这些工作整体上都处于试验探索的初期阶段,尚未得出金属基复合材料微屈服行为的普遍规律,所以目前从理论上对金属基复合材料的微屈服行为进行研究应成为下一步工作的重点。

高,但对不规则棱形SiC颗粒增强铝基MMC,冷热循环次数的影响较为复杂,这是由于不规则棱形SiC颗粒随循环次数的提高,在颗粒尖角附近基体中所储存的应变能越来越高,复合材料基体中的位错密度逐渐增大,当冷热循环达到一定次数时部分位错发生回复且位错状态越来越复杂,造成公式(2)中σ0和K等材料组织结构敏感参数的复杂变化。李志林,姚忠凯[14]针对SiC晶须ΠAl复合材料进行了冷热循环和固溶时效处理,研究这两种处理是否会改变热残余应力水平和可动位错密度,进而寻求提高微屈服强度的途径。试验结果表明冷热循环处理使SiC晶须ΠAl复合材料的微屈服强度、微蠕变抗力下降,即冷热循环处理降低了材料的尺寸稳定性,这是由于冷热循环处理后,SiC晶须ΠAl复合材料并未发生明显内应力松弛,也未发生明显的回复而生成稳定的位错结构,而有可能造成了界面的破坏从而导致了复合材料的尺寸稳定性降低。对SiC晶须ΠAl复合材料的尺寸稳定化处理工艺,应以固溶处理后长时间时效为好。张帆[15,16]也对SiC颗粒ΠAl合金基体复合材料的微屈服行为及其时效和冷热循环热处理工艺的影响进行了深入研究,与基体铝合金的对比表明,冷热循环处理过程中,由于SiC颗粒和基体铝合金的热膨胀系数相差甚大,SiC颗粒的加入使得复合材料在凡有温度变化的热过程中不可避免地产生过高的热残余应力,而且这一热残余应力已超过基体的屈服应力,直接产生了塑性变形,并引发高密度可动位错,致使MMC的微屈服强度和尺寸稳定性下降;另外由于SiC颗粒的存在,严重阻碍了位错的回复运动,即不能使冷热循环激冷过程中产生的高位错密度明显下降,也不能使其排列成较稳定的多边化结构,因而使冷热循环处理后复合材料的微屈服强度降低。时效处理是提高SiC颗粒ΠAl合金基体复合材料微屈服强度的较佳工艺,但存在一个最佳的“峰值”时效时间或温度,欠时效或过时效均不能取得良好的效果。另外,试验发现增大SiC颗粒的体积分数会加剧冷热循环处理的不利影响,但却能促进时效强化作用。为了降低对微屈服强度影响甚大的热残余应力,武高辉[17]提出,减小增强体颗粒尺寸可以达到此目的。他研究了亚微米SiC颗粒增强铝基复合材料的微屈服行为,认为颗粒越小,热错配应力越小,进而引发的位错越少,达到某一尺寸后,热残余应力甚至不足以引发位错;另外,在颗粒增强复合材料的增强颗粒体积比和颗粒大小近似相近的条件下,圆形颗粒比尖角形颗粒更能提高复合材料的微塑性变形抗力。

由此可见国内外的研究者都把MMC的微屈服行为作为重要的内容来研究,而且都是将热膨胀失配导致的热残

5　结　论

11金属基复合材料的微屈服行为和宏观屈服相比有

其特殊性,主要体现在复合材料基体中的热残余应力水平

和位错组态的不同。

21描述纯金属多晶体微屈服规律的Brown2Lukens关系,在一定条件下对铝合金和颗粒增强铝基体复合材料等实际工程中的材料的微屈服行为仍然适用。31冷热循环、时效等热处理工艺和增强体的形状、尺寸、体积比等都能显著影响金属基复合材料的微屈服行为。

41目前针对金属基复合材料微屈服行为的研究主要集中在实验探索阶段,即从显微组织和微屈服实验上定性地了解金属基复合材料微屈服行为的特点和机理,没有得出普遍规律,从理论上对金属基复合材料的微屈服行为进行分析应成为下一步工作的重点。

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