连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法

摘要

本发明公开了一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法；包括如下步骤：对连续纤维增强金属基复合材料进行拉伸或压缩试验，获得所述复合材料的应力-应变曲线；确定该曲线上的折点应力σ

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料的残余应力测试方法，具体涉及一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法。

背景技术

由于具有优良的力学和物理性能(如高比刚度和比强度、高的拉伸和压缩性能等)，连续纤维增强金属基复合材料在航空航天和电力传输等领域受到了极大的关注。由于增强体和金属基体间热膨胀系数的巨大差异，从制备温度到室温的冷却期间，在该类复合材料中会形成残余应力，这些残余应力对金属基复合材料的性能，如形变、蠕变、尺寸稳定性、断裂强度和疲劳抗力等，具有重要的影响。因此，需要对复合材料中的残余应力的大小和状态进行表征。以往，在表征金属基复合材料中残余应力方面开展了很多工作，形成了一些残余应力的表征技术，包括X射线衍射，中子衍射，激光拉曼光谱，纳米压痕，拉-压循环试验法和有限元以及理论模型计算等。在测试方法中，X射线衍射，中子衍射和激光拉曼光谱方法属于物理测试方法，而纳米压痕和拉-压循环试验法属于力学测试方法。对于X射线和中子衍射方法而言，当复合材料中存在强织构时，可能会产生很大的误差。相比于X射线法，由于中子具有更大的穿透深度，因此中子衍射可以测量材料内部一定深度的残余应力。激光拉曼光谱法可以用来测量纤维金属基复合材料的残余应力，其原理是：复合材料受力后，随着拉应力的增加，原子间距增加，原子振动频率下降；反之在压缩应力下，原子间距减小，原子振动频率增加；这种振动频率的变化可以用激光拉曼光谱测定出来。纳米压痕法是利用纳米压痕仪对材料进行纳米硬度试验，测定纯基体和相应复合材料的载荷和位移曲线以及相应的硬度和接触面积值，然后通过公式分别计算纯基体材料和复合材料的应力，两者的差值即为热残余应力，它是复合材料中某个点的基体残余应力。拉-压循环试验法也是用于测定纤维增强金属基复合材料残余应力的一种方法：通过做拉伸-压缩循环试验测得复合材料循环应力应变曲线，据此，可计算出原位基体应力应变曲线，进而求出基体的残余应力，它是复合材料中基体的平均残余应力。有限元以及理论模型计算方法是通过建立有限元模型或解析模型，然后计算出复合材料中的残余应力，这些计算可以给出复合材料中应力应变分布以及其演变规律的较详细的信息。

经对现有技术文献检索发现，发表在“Metallurgical Transactions A，1999，30：1843-1866”上的一篇题为“Plasticity of Continuous Fiber-Reinforced Metals”的文章。该文描述的方法是一种通过进行拉-压循环试验测定纤维增强金属基复合材料中残余应力的方法，是一种需要施加循环载荷的力学测定方法。

发明内容

本发明的目的在于为了避免上述现有拉-压循环方法必须进行循环试验的弱点，提供一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法；该方法仅依靠单调拉伸或压缩即可测定纤维增强金属基复合材料中残余应力。本发明仅需要进行拉伸或压缩试验，不需要进行拉-压循环试验，因此方法相对简单。根据本发明，复合材料中残余应力可在测定材料的拉伸和压缩性能的同时，利用拉伸或压缩应力-应变曲线上的折点，通过简单的计算得到。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，对连续纤维增强金属基复合材料进行拉伸或压缩试验，获得所述复合材料的应力-应变曲线；

步骤二，确定应力-应变曲线上的折点应力σ_yc；

步骤三，根据以下方程式确定出复合材料基体的残余应力σ_res；

其中，σ_ym0为基体的屈服应力，V_f为纤维的体积分数，V_m为基体的体积分数，σ_f为纤维承担的应力。

优选的，步骤一中，所述复合材料中基体的残余应力为拉伸应力，则需要进行压缩试验；所述复合材料中基体的残余应力为压缩应力，则需要进行拉伸试验。

优选的，所述拉伸和压缩试验施加的应力使复合材料进入塑形变形阶段。

优选的，所述拉伸和压缩试验以恒定速率0.2mm／min沿纤维方向进行。

优选的，步骤一中，所述连续纤维增强金属基复合材料的应变是用Zwick引伸计测定的。

优选的，步骤二中，所述的折点应力为所述应力-应变曲线由弹性到塑性转变的转折点对应的应力。

本发明步骤一仅进行单调拉伸或压缩试验，避免了相对复杂的拉-压循环试验，因此方法相对简单。根据本发明，复合材料中残余应力可在测定复合材料的拉伸和压缩性能的同时，利用拉伸或压缩应力-应变曲线上的折点，通过简单的计算得到。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明方法相对简单，可提高了残余应力的测试效率；根据本发明，复合材料中残余应力可在测定复合材料的拉伸和压缩性能时，利用拉伸或压缩应力-应变曲线上的折点，通过简单的计算得到，使复合材料性能表征和残余应力测试一步完成。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为压缩加载时复合材料应力-应变关系示意图：(a)复合材料的压缩应力-应变关系；(b)当基体为弹性变形时，复合材料压缩变形时基体的应力-应变关系；(c)当基体为塑形变形时，压缩变形时复合材料中基体的应力-应变关系；

图2为拉伸加载时复合材料应力应变关系示意图：(a)复合材料的拉伸应力-应变关系；(b)当基体为弹性变形时，拉伸变形时复合材料中基体的应力应变关系；(c)当基体为塑形变形时，拉伸变形时复合材料中基体的应力应变关系；

图3为(Al₂O₃)_f／Al复合材料的压缩应力-应变曲线；

图4为300MPa的预拉伸后，(Al₂O₃)_f／Al复合材料拉伸应力-应变曲线；

图5为800MPa的预拉伸后，(Al₂O₃)_f／Al复合材料丝拉伸应力-应变曲线；

图6为(Al₂O₃)_f／Cu-Ti复合材料压缩应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的工作原理如下：

复合材料的混合法则：

E_c=V_fE_f+V_mE_m     (1)

其中，E_f、E_m和E_c分别是纤维、基体和复合材料的弹性模量；V_f和V_m分别是纤维和基体的体积分数。

根据上述的复合材料混合法方程(1)可知，对复合材料进行加载时，当基体由弹性变形转为塑形变形(屈服)时，基体的弹性模量E_m将发生很大的变化，反映在复合材料的拉伸或压缩应力应变曲线上将会出现一个转折点(屈服点)，对应的应力为折点应力σ_yc。根据混合法则：

σ_c=V_mσ_m+V_fσ_f     (2)

其中σ_m、σ_f和σ_c分别为纤维、基体和复合材料承担的应力o可知，对应于该折点的基体屈服应力σ_ym为，

其中ε_yc是复合材料的屈服应变，即对应于折点应力σ_yc的复合材料应变。

当基体为拉伸残余应力时，根据本发明，需要做压缩试验以测定基体残余应力，压缩应力-应变曲线示意于图1.根据该图，基体的屈服应力σ_ym0和基体的残余应力σ_res间的关系为：

σ_res=σ_ym-σ_ym0     (4)

将方程(3)代入方程(4)，则得，

当基体为压缩残余应力时，根据本发明，需要做拉伸试验以测定基体残余应力，拉伸应力-应变曲线示意于图2.根据该图，基体的屈服应力σ_ym0和基体的残余应力σ_res间的关系同样满足方程(5)。

因此，无论是拉伸还是压缩残余应力，只要取得复合材料拉伸或压缩变形时的折点应力σ_yc，则可以通过方程(5)求出基体的残余应力。

具体基体的残余应力测试见以下各实施例：

实施例1

连续氧化铝纤维增强铝基复合材料(Al₂O₃)_f／Al的热残余应力测定。复合材料中纤维为Nextel^TM610氧化铝纤维，体积分数为45vol.％，基体为纯铝。制备态下该复合材料中基体热残余应力为拉伸应力，所以对复合材料进行沿纤维方向的单调压缩试验。压缩试验是以恒定速率0.2mm／min沿纤维方向进行。用30mm标距长度的Zwick引伸计测定应变。所得到的复合材料应力应变曲线如图3所示。图中的直线是用以测定折点的，该折点所对应的压缩应变为0.019％，压缩应为力50.6MPa。根据该图得到折点应力，然后根据方程(5)计算复合材料种基体的残余应力。计算的基体残余应力为24.1MPa，与采用拉-压循环试验测得的值25±1.8MPa非常接近.

实施例2

300MPa预拉伸后，连续氧化铝纤维增强铝基复合材料(Al₂O₃)_f／Al热残余应力的测定。复合材料中纤维为Nextel^TM610氧化铝纤维，体积分数为45vol.％，基体为纯铝。经过300MPa应力的预拉伸后，复合材料中基体热残余应力为压缩应力，所以对复合材料进行沿纤维方向的单调拉伸试验。拉伸试验是以恒定速率0.2mm／min沿纤维方向进行。用30mm标距长度的Zwick引伸计测定应变。所得到的复合材料应力应变曲线如图4所示。图中的直线是用以测定折点的，该折点所对应的拉伸应变为0.0538％，压缩应为力109MPa。根据该图得到折点应力，然后根据方程(5)计算复合材料种基体的残余应力。计算的基体残余应力为-18.9MPa，与采用拉-压循环试验测得的值-16.8MPa接近。

实施例3

800MPa预拉伸后，连续氧化铝纤维增强铝基复合材料(Al₂O₃)_f／Al热残余应力的测定。复合材料中纤维为Nextel^TM610氧化铝纤维，体积分数为45vol.％，基体为纯铝。经过800MPa应力的预拉伸后，复合材料中基体热残余应力为压缩应力，所以对复合材料进行沿纤维方向的单调拉伸试验。拉伸试验是以恒定速率0.2mm／min沿纤维方向进行。用30mm标距长度的Zwick引伸计测定应变。所得到的复合材料应力应变曲线如图5所示。图中的直线是用以测定折点的，该折点所对应的拉伸应变为0.0633％，压缩应为力130MPa。根据该图得到折点应力，然后根据方程(5)计算复合材料种基体的残余应力。计算的基体残余应力为-28.2MPa，与采用拉-压循环试验测得的值-28.8MPa接近。

实施例4

连续氧化铝纤维增强铜基复合材料基体热残余应力的测定。复合材料中纤维为Nextel^TM610氧化铝纤维，体积分数为45vol.％，基体为Cu-lwt pct Ti合金。该复合材料中基体热残余应力为拉伸应力，所以对复合材料进行沿纤维方向的单调压缩试验。压缩试验是以恒定速率0.2mm／min沿纤维方向进行。用30mm标距长度的Zwick引伸计测定应变。所得到的复合材料应力应变曲线如图6所示。图中的直线是用以测定折点的，该折点所对应的压缩应变为0.0587％，压缩应为力118MPa。根据该图得到折点应力，然后根据方程(5)计算复合材料种基体的残余应力。计算的基体残余应力为-20.1MPa，与采用拉-压循环试验测得的值-20.8MPa接近。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。