简介概要

碳化硅晶须镁基复合材料热残余应力及其调整

来源期刊：稀有金属2001年第4期

论文作者：王德尊姜传海吴建生郑明毅

关键词：碳化硅晶须; 镁基复合材料; 低温处理; 预塑性变形; 残余应力;

摘要：结合理论分析,介绍了复合材料热残余应力的调整机制,分别采用低温处理及预变形方法调整碳化硅晶须镁基复合材料中残余应力.复合材料经过低温处理及预拉伸塑性变形后残余应力明显降低,同时其拉伸屈服强度得到适当改善.

稀有金属 2001,(04),286-288 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.04.015

碳化硅晶须镁基复合材料热残余应力及其调整

郑明毅王德尊吴建生

上海交通大学教育部高温材料及高温测试重点实验室!上海200030,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!哈尔滨150001,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!哈尔滨150001,上海交通大学教育部高温材料及高温测试重点实验室!上海200030

摘要：

结合理论分析 , 介绍了复合材料热残余应力的调整机制 , 分别采用低温处理及预变形方法调整碳化硅晶须镁基复合材料中残余应力。复合材料经过低温处理及预拉伸塑性变形后残余应力明显降低 , 同时其拉伸屈服强度得到适当改善

关键词：

碳化硅晶须;镁基复合材料;低温处理;预塑性变形;残余应力;

中图分类号： TB331

收稿日期：2000-06-10

Thermal Residual Stress and Its Modification in a SiC-Whisker/Mg Composite

Abstract：

With the theoretical analysis, the mechanisms of modification for thermal residual stress of the composite were introduced. By using the low temperature treatment and tensile pre-plastic deformation method, the thermal residual stress in a SiC whisker/Mg composite was modified. The results show that after low temperature treatment and pre plastic deformation, the thermal residual stress is obviously decreased. Meanwhile, the yield strength of composite is improved.

Keyword：

SiC whisker; Mg composite; Low temperature treatment; Pre plastic deformation; Residual stress;

Received： 2000-06-10

金属基复合材料中增强体与基体存在明显的热膨胀系数差异, 温度变化必然产生热残余应力, 将对复合材料性能造成不良影响 ^[1,2] 。有关复合材料残余应力的研究主要集中在理论分析及试验测量等方面, 其中对残余应力调整方面的研究相对较少。实现残余应力的人为调整, 可以挖掘材料性能潜力, 具有重要的工程应用价值。本文介绍了热残余应力的调整机制, 采用低温处理及预变形方法调整碳化硅晶须镁基复合材料中的残余应力。

1 模型分析

复合材料通常在高温下制造, 冷却降温时因基体与增强体收缩量明显不匹配, 在基体中产生较大热错配拉应力。当冷却到室温状态时, 基体已发生部分错配拉伸塑性变形 ^[3,4] 。

低温处理调整复合材料热残余应力示意图, 如图1所示。在原始铸态情况下, 复合材料中基体 (M) 与增强体 (W) 之间存在一定错配应变 (e₁) , 同时基体存在部分塑性应变量。如果对复合材料进行低温处理, 因基体收缩量较大, 两相错配应变继续增大即基体继续进行错配拉伸塑性应变。从低温返回室温时, 因基体膨胀量较大, 基体错配拉应力经历卸载的过程。考虑到低温处理期间基体发生明显错配拉伸塑性应变, 同时增强体始终保持弹性状态, 当返回室温状态时两相间的错配应变 (e₂) 将得到缓和, 即复合材料中热残余应力降低。

图1 低温处理调整复合材料热残余应力示意图Fig.1 Diagram of modification for thermal residual stress of composite by low temperature treatment

预变形方法调整复合材料热残余应力示意图, 如图2所示。沿图中竖直方向进行预拉伸塑性变形处理, 由于基体易于变形其伸长量比增强体大, 若对复合材料施加足够大的外载拉应力, 可使得基体发生较大拉伸塑性变形。考虑到预变形期间基体发生了较大拉伸塑性变形, 同时增强体始终保持弹性状态, 当复合材料撤消外载应力后两相之间的错配应变 (e₂) 将得到缓和, 即复合材料中热残余应力降低。

2 材料及试验

利用压力铸造方法制备复合材料, 晶须 (SiC_w) 长度 5~20 μm, 晶须直径 0.1~1 μm, 晶须体积分数为 20%。基体化学成分 (质量分数) 为:9.3% Al, 0.7% Zn, 0.23% Mn, 0.02% Si, 0.001% Cu, 0.001% Ni, 0.002% Fe, 0.0015% Be 及余量 Mg。

图2 预塑性变形处理调整复合材料热残余应力示意图Fig.2 Diagram of modification for thermal residual stress of composite by pre-plastic deformation

低温处理方法是将试样缓冷至-78℃或-196℃, 保持2h后取出并返回室温 (25℃) 状态。预变形方法是利用拉伸试验机对复合材料进行预拉伸塑性变形 (2×10^-4s^-1) , 在板状试样表面中部粘贴应变片, 测量试样变形期间的应变量, 根据加载及卸载应力与应变曲线确定预塑性应变量。借助X射线应力仪, 测量复合材料基体中三向残余应力 ^[5] , 取三向应力的平均值。对各状态复合材料试样进行拉伸试验, 测量其拉伸屈服强度σ_0.2值。

3 结果及讨论

3.1 残余应力

表1给出复合材料基体残余应力与低温处理温度的关系。表1结果表明, 原始铸态复合材料基体中存在较大残余拉应力, 随着低温处理温度的降低残余应力呈单调下降的趋势。正如模型分析中所述, 低温处理使复合材料中基体发生一定的错配拉伸塑性应变量, 而晶须始终处于弹性状态, 当复合材料从低温返回室温时两相弹性错配度将有所缓和, 最终造成残余应力降低。低温处理的温度越低, 返回室温状态时复合材料中的残余应力则越低。然而由于实际复合材料中基体的屈服强度及加工硬化效应随温度降低而增大, 同时热膨胀系数随温度降低而减小。基体屈服强度及加工硬化效应的增大, 会导致低温状态下复合材料两相间错配应力增大;而材料热膨胀系数的减小, 则导致升温过程中相同温差所能缓和的错配应力减小, 最终结果表现为随低温处理温度的降低, 残余应力降低的趋势减小。

表1 复合材料基体热残余应力与低温处理温度Table 1 Thermal residual stress in matrix of composite and low temperature of treatment

低温处理温度 t_L/℃	热残余应力 σ_R/MPa
25	75
-78	28
-196	-9

表2为复合材料基体残余应力与预拉伸塑性应变量的关系。可以看出, 随预拉伸塑性应变量的增加残余应力呈单调下降的趋势。预变形处理调整复合材料热残余应力的基本原理与低温处理相似, 即通过预变形处理使复合材料中基体发生一定塑性应变量, 同时晶须则始终保持弹性应变状态, 造成两相的弹性错配度有所缓和即残余应力降低。预拉伸塑性应变量越大, 卸载后复合材料中的残余应力则越低。在预拉伸塑性变形过程中, 虽然可测量出复合材料的平均塑性应变量, 但实际基体中的塑性应变分布很不均匀 ^[6,7] ;在塑性变形初期, 基体塑性变形主要发生在晶须附近即界面区, 当复合材料塑性应变量较大时基体整体上发生塑性应变;随着复合材料预拉伸塑性应变量的继续增大, 晶须附近基体加工硬化效应即塑性应变阻力增大, 造成界面区基体塑性应变的趋势减弱;考虑到晶须附近基体塑性应变对两相错配应力影响较大, 该区域基体塑性应变趋势减弱则造成残余应力随预塑性应变的变化趋势减小。

表2 复合材料基体热残余应力与预塑性应变量Tab.2 Thermal residual stress in matrix of composite and pre-plastic strain

应变量 ε_P/%	热残余应力 σ_R/MPa
0.000	75
0.183	22
0.517	-17

3.2 屈服强度

表3给出复合材料拉伸屈服强度与低温处理温度的关系。表3结果表明, 经低温处理并返回室温状态后复合材料拉伸屈服强度有所增高, 低温处理温度越低则复合材料屈服强度越高。表4为复合材料拉伸屈服强度与预拉伸塑性应变量的关系。可以看出, 经预变形处理并卸载后复合材料拉伸屈服强度有所增高, 预拉伸塑性应变量越大则复合材料屈服强度越高。

表3 复合材料拉伸屈服强度与低温处理温度Table 3 Tensile yield strength of composite and low temperature of treatment

低温处理温度 t_L/℃	拉伸屈服强度 σ_0.2/MPa
25	206
-78	229
-196	242

表4 复合材料拉伸屈服强度与预塑性变形量Table 4 Tensile yield strength of composite and pre-plastic strain

变形量 ε_p/%	拉伸屈服强度 σ_0.2/MPa
0.000	206
0.183	232
0.517	255

低温处理及预塑性变形对复合材料拉伸屈服强度的影响, 主要与基体中残余应力降低及位错组态变化有关。由于复合材料基体中存在残余拉应力, 可加剧基体的拉伸塑性应变, 从而降低复合材料的拉伸屈服强度, 这一点已是众所周知的事实;经低温处理及预塑性变形后基体残余应力降低, 必然造成复合材料的屈服强度增高。另一方面, 位错强化是金属基复合材料的主要强化机制之一 ^[8] , 低温处理及预变形处理均可使复合材料中基体发生塑性变形, 必然造成基体中的位错密度增高, 从而导致复合材料的拉伸屈服强度升高。

4 结论

低温处理及预变形是调整复合材料热残余应力的有效方法, 两种方法基本原理相同, 即通过低温处理或预变形, 使复合材料基体发生一定的拉伸塑性应变量, 同时增强体始终保持弹性应变状态, 造成两相间错配应变有所缓和即残余应力降低。研究结果表明, 碳化硅晶须镁基复合材料经低温处理及预变形后残余应力明显降低, 同时复合材料拉伸屈服强度得到改善。