1、I本科毕业论文（20 届）温度和基体性能对复合材料残余应力的影响所在学院专业班级 材料成型及控制工程学生姓名指导教师完成日期II温度和基体性能对复合材料残余应力的影响摘要：温度和基体的性能对复合材料的残余应力有影响，本文利用 ANSYS10.0 软件对 SiC/Ti-6Al-4V 复合材料的残余应力进行数值模拟，建立了纤维体积分数为 35%的二维四方排布有限元模型，采用控制单一变量法，分别研究了基体弹性模量和施加温度对复合材料残余应力的影响。结果表明：（1）基体弹性模量增大复合材料的径向和周向残余应力也增大。 （2）在 700下随着温度升高复合材料的径向和周向残余应力随着减小。研究结果为 Si
2、C 纤维增强钛基复合材料的基体选择和工作温度提供了一定的依据。在选择基体合金的时候，基体的弹性模量应尽量小一点，这样就能在一定程度上降低残余应力的大小。同时，也要尽可能材料的温度靠近无应力温度，因为温度越低残余应力越大。但是，这只是单从残余应力的角度考虑，在实际选择过程中，还需要综合考虑其他因素。关键词：钛基复合材料，有限元分析，基体性能，温度，残余应力IIIEffects of temperature and substrate on the performance of composite material residual stressAbstract：Performance of te
3、mperature and substrate has an effect on the residual stress of，composites this paper uses the ANSYS10.0 software to the residual stress in the SiC/Ti-6Al-4V composite material by numerical simulation established the fiber volume fraction of the finite element model of two dimensional square arrange
4、ment 35%, the control of a single variable method, The effect of elastic modulus of matrix and applying the temperature on the residual stress of composite materials were studied respectively The results show that: (1) the matrix elastic modulus of composite radial and circumferential residualstress
5、 increases. (2) at 700 with the increase of temperature composite radial and circumferential residual stress with decreasing.The results of SiC fiber reinforced titanium matrix composites matrix selection provides a certain basis. In the choice of matrix alloy, the elastic modulus of matrix should b
6、e smaller, which can reduce the size of the residual stress in a certain extent. at the same time, at the same time, as far as possible, the temperature of the material near thestress free temperature, because the lower the temperature the greater the residual stress. However, this is only a single
7、residual stress from the point of view, in the actualselection process, but also need to consider other factors.Keywords: titanium matrix composites, The finite element analysis, matrix properties,temperature,residual stressIV目 录1 绪论 .11.1 金属基 复合材料的特点和分类 .11.2 金属基复合材料的研究现状和发展方向 .21.2.1 金属基复合材料在汽车领域的
8、研究 .21.2.2 金属基复合材料在航空航天领域的研究 .21.2.3 金属基复合材料在民用行业中的应用与研究 .31.2.4 金属基复合材料的发展趋势 .31.3 钛基复合材料概述 .41.4 金属基复合材料中残余应力相关知识 .41.4.1 金属基复合材料中残余应力的产生 .41.4.2 金属基复合材料残余应力对组织性能的影响. 41.4.3 金属基复合材料残余应力的测量方法 . .51.4.4 金属基复合材料中残余应力的影响因素 .7 1.4.5 钛基复合材料的残余应力 .9 1.5 本课题研究的主要内容.9 2 有限单元法 . . . . .10 2.1有限单元法基本概念.10 2.
9、2 有限元模拟技术. 102.2.1 数值模拟技术在工程 中的应用 .102.2.2 有限元单元法的一般过程 .112.3 有限元软件. 122.3.1 有限元软件概述 .122.3.2 ANSYS 软件概述 .133 复合材料残余应力的有限元分析 . 14 3.1 前言 .14V3.2 材料性能 .143.3 有限元模型的建立 .153.4 实验结果与分析 .163.4.1 基体弹性模量对复合材料残余应力的影响 .163.4.2 温度对复合材料残余应力的影响. 24结论与展望. 32参考文献 .33致谢 .3511 绪论1.1 金属基复合材料的特点和分类与传统的金属材料相比，金属基复合材料具
10、有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。金属基复合材料性能特点有:高比强度、高模量、高韧性、高导热导电性、膨胀系数小、耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好等。金属基复合材料具有强大的综合性能，在外层空间结构以及一些工业领域中有广泛应用前景，因而继树脂基复合材料之后，掀起了对其研究开发的热潮。目前，金属基复合材料（MMCs）作为材料的一个新兴领域已在航空航天系统，汽车系统及建筑等各个系统中得到广泛应用。金属基复合材料其特点在于有一个连续的金属或者合金基体，其它组元相则是均匀地分布在金属基体中。作为一种非均
11、匀材料，金属基复合材料与传统的单一金属材料在损伤断裂机理、损伤破坏特征以及疲劳损伤的累积等诸多方面不尽相同，具体表现在以下几个方面3:（1）损伤断裂机理与金属材料不同。金属材料的破坏机理是：试件在开裂时常出现一条主裂纹，当裂纹扩展到某一临界值时会突然失稳破坏，所以这条裂纹控制着材料的最终破坏。而复合材料的破坏表现为构件在很大应力作用下发生严重损伤变形。根据研究表明：复合材料的损伤形式多种多样，如纤维与基体界面的分离、纤维断裂、基体开裂以及纤维拔出;另一方面，复合材料在制备、加工和运输过程中，会不可避免地产生不同程度的缺陷，其力学性能呈现出复杂不规则分布。（2）裂纹的扩展是非共线的。裂纹在扩展过
12、程中碰到纤维时，既可沿纤维，也可跨越纤维扩展;当遇到纤维界面时，倾向于损伤沿界面扩展，这种方式更利于使裂纹的扩展稳定下来。所以除少数层间裂纹在 I 型外力作用下会共线扩展外，多数裂纹扩展是复合型的。特别是对于层合结构而言，裂纹扩展是 I 型和H 型的复合，并且常见 I、H 型与 M 型的混合状。 （3）金属的疲劳寿命主要取决于裂纹起始寿命和扩展速率，而复合材料在交变载荷下有多种损伤形式，可能以一个为主，也可能是多个形式共同控制的疲劳过程。因此，复合材料的疲劳没有金属材料那样具有明显的规律性。金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强、晶须增强和颗粒增强等，2按金属或合金基体的不同，金属基复
13、合材料可分为铝基、镁基、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、界面反应控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。当前最受航空界重视的金属基复合材料 是连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料，其次是碳化硅增强的钛铝金属间化合物基复合材料。1.2 金属基复合材料的研究现状与发展方向在航天航空工业及民用工业的推动下,金属基复合材料的制备和成形制造工艺有了很大的进展。其研究热点主要围绕在轻金属和重金属合金基体材料方面。研究方向趋于加强对制备工艺的研究，加强对强化机制的研究，提高基体性能,进而提高复合材料的性能的研究
14、。1.2.1 金属基复合材料在汽车领域的研究 金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。由于铝合金、镁合金等是传统的轻质材料,随着汽车轻量化进程的不断推进和科学技术的日益进步,在汽车工业中采用铝合金、镁合金,要求具有良好的耐磨性、抗腐蚀性、耐热性和尺寸稳定性,并且要求质量更轻,强度、刚度更高，这就为铝基复合材料的发展提供了广阔的应用前景。活塞是发动机的主要零件之一。它在高温高压下工作,与活塞环、汽缸壁不断摩擦,工作环境恶劣。因此选择合适的活塞材料至关重要。日本丰田公司于 1983 年首次成功地用 Al2O3/Al 复合材料制备了发动机活塞,与
15、原来铸铁发动机活塞相比,重量减轻了 5%10%,导热性提高了 4 倍左右4。连杆是汽车发动机中继活塞之后第二个成功地应用金属基复合材料的例子。1984 年,Fogar 等人用氧化铝长纤维增强铝合金制造了第一根连杆4。钛的耐磨性、刚性、热稳定性较差限制了其广泛应用,通过颗粒增强得到的钛基复合材料可以克服钛的上述缺点。1.2.2 金属基复合材料在航空航天领域的研究 对安全系数及使用寿命都要求极高的航空工业,始终是金属基复合材料最具挑战性的应用领域,特别是在商用飞机上应用就更是如此。因此,金属基复合材料的航空3应用进程大大滞后于航天应用。在多数金属基复合材料中,陶瓷都是作为增强物,含量按体积通常在
16、30%以下。在有些复合材料中,陶瓷含量高达 80%。比如,美国空军飞机 C-130 的防弹装甲是用铝/碳化硼复合材料制造的。 更引人注目的是,在 20 世纪90 年代末,碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。另外,目前采用无压浸渗法制备的碳化硅颗粒/铝电子封装复合材料应用在包括:F-18“大黄蜂”战斗机、欧洲“台风”战斗机、EA-6B“徘徊者”预警机、ALE-50 型诱饵吊舱以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等著名的航天器上5-6。1.2.3 金属基复合材料在民用行业中的应用与研究 金属基复合材料在民用行业中的应用与研究相对缓慢。要使其推广使用,还必须解决以下
17、三个问题6:(1)金属基复合材料制备复杂和需要成本比较大。在制备过程中,制备工艺复杂,很难应用于生产。若要使复合材料真正进入到产业化,还需要进行更深一步的研究,简化制造工艺,降低制造成本,增强复合材料的市场竞争力。(2)复合材料性能的优劣性依赖于增强体与基体的结合及增强体的分布状况,而决定结合及分布状况的主要因素之一是润湿性。由于大多金属基体与增强体润湿差甚至不润湿,这就给复合材料的制备带来困难。(3)在很高的温度下制备复合材料,基体与增强体之间不可避免的会发生程度不同的界面反应产生其他相及元素偏聚等。1.2.4 金属基复合材料的发展趋势 金属基复合材料的发展趋势：(1)简化制备工艺,降低制备
18、成本。 (2)目前金属基复合材料的强化机制研究还不够成熟,学术观点南辕北辙,很难达成共识。应加强对强化机制的研究,进一步推动金属基复合材料的发展。 (3)润湿性问题一直困扰研究金属基复合材料的学者,给实际制备复合材料带来很大的困难。目前,有些学者研究了铝基复合材料的润湿性,并取得了一定的进展7。(4)研究的重点侧重于增强体与基体的结合界面及增强体在基体中的分布,却忽略了基体自身的性能。基体本身的性能对复合材料的影响也至关重要,性能优越的复合材料同样要求有性能优越的基体,因4此应加大对基体和增强体性能同步提高的研究。1.3 钛基复合材料概述钛基复合材料是以一种重要的金属基复合材料。其具有强度高、
19、重量轻、弹性模量大等优越性能，Ti-6Al-4V 合金是一种应用最广的钛合金，它在钛产品中占一半以上。在钛合金复合材料中该合金也是研究、使用最多的一种钛合金基体。Ti-6Al-4V 合金具有良好的加工性能，当 Ti-6Al-4V 合金与碳化硅等纤维制备成钛基复合材料时，可以进一步提高强度，尤其是高温强度，而材料的密度、热膨胀系数并不提高。所以，在航空、航天工业中，钛合金基复合材料成为比钛合金更适宜的结构材料8。1.4 金属基复合材料中残余应力相关知识1.4.1 金属基复合材料中残余应力的产生金属基复合材料需在基体熔点附近的高温下制备，一般不外乎以下几个：（1）由于温度梯度引起的应力，即温度梯度
20、诱导热残余应力；（2）在均匀温度下由于基体金属和纤维热膨胀系数不匹配引起的热残余应力，这是由于复合材料组分的本质属性所决定的；（3）由于界面反应或是基体相变引起复合材料局部体积发生变化，从而导致残余应力的产生。由于（1）和（3）所产生的热残余应力对复合材料的影响比较小，并且通过适当的措施可以减小甚至避免，所以，在目前的大部分研究当中，热膨胀系数不匹配引起的热残余应力是人们关注的重点9-10。1.4.2 金属基复合材料残余应力对组织性能的影响资料显示，若制备工艺控制不当或基体的塑性较差，在复合材料的界面处，常会发现一些垂直于界面的裂纹，特别是纤维距离较近时，显然，界面处的环向残余应力是其产生的直
21、接原因之一11。另外，界面附近的环向应力有突变， 应力梯度非常大，S.G.Warrier 等人12研究表明，在横向载荷作用下，应力突变点将会导致裂纹萌生和界面脱粘。径向热残余应力的大小直接影响复合材料中纤维和基体间界5面剪切强度的大小，由于热残余应力的大小随温度变化明显，所以界面剪切强度也会受温度变化的影响，进而影响复合材料的高温力学性能。热残余应力对复合材料力学性能的影响非常复杂，并且一般不会直接作用，而是通过其它条件影响复合材料。例如在循环疲劳载荷作用下，由于热残余应力的存才，使疲劳裂纹所承受的实际载荷比大于施加的载荷比，并且经过一定的循环载荷后，热残余应力发生松弛，界面剪切摩擦力下降，进
22、一步加速了疲劳裂纹的扩展速度，降低了复合材料疲劳寿命11。热残余应力对复合材料的屈服强度、压缩强度以及横向拉伸性能也有不同程度的影响13。另外，复合材料基体中存在平均残余拉应力，导致拉伸屈服强度降低，压缩屈服强度升高。复合材料中残余应力的存在是产生拉压强度差效应和包辛格效应的主要原因9。1.4.3 金属基复合材料中残余应力的测量分析方法热残余应力是一种自平衡的非均匀应力场，尤其在界面附近，一般处于多方向的复杂应力状态，所以，要精确测定复合材料中的热残余应力的大小是一件非常困难的事情。在现有的研究方法中，总体分为实验法和理论计算法，实验方法主要有以下几种。（1） X 射线衍射和中子衍射方法10由
23、于 X 射线的穿透能力较低，利用 X 射线衍射的方法只能测量复合材料表面的热残余应力的大小；比较而言，中子衍射的穿透能力要强得多，约为 X 射线的 1 000 倍，因此可以测量复合材料内部的热残余应力。但不管是 X 射线还是中子衍射，都有一定的粒子束斑直径，即使微小 X 射线束，其直径也有 30 m 左右，远大于钛基复合材料界面层厚度的尺寸。所以，使用 X 射线和中子衍射的方法只能测得某一微区的平均应力，尤其在界面附近，更无法准确反映热残余应力的非均匀特性。（2） 剥层法14将复合材料做成片状试样，逐层剥离基体，然后用 X 射线衍射测量基体的热残余应力分布和大小，为防止试样剥层后发生弯曲，可在试样两面对称剥层。但是，剥层后由于应力松弛等原因，改变了热残余应力的分布和大小，从而使人对结果提出质疑。（3） 基片弯曲法15
