王麗娟

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451150）

金屬?gòu)?fù)合材料應(yīng)用在重要領(lǐng)域，而在使用中遇到強(qiáng)烈沖擊后，多數(shù)工程材料的力學(xué)性能在受沖擊時(shí)準(zhǔn)靜態(tài)加載條件不同[1]。而材料的靜態(tài)加載條件下的損傷，主要由于在微觀尺度下的缺陷以及界面上的應(yīng)力集中而導(dǎo)致的[2]。而近些年中，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)金屬材料的剪切力學(xué)行為進(jìn)行了較多的研究，但對(duì)于材料的剪切力學(xué)性能的研究采用不同結(jié)構(gòu)的剪切試樣，結(jié)合剪切區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變情況來(lái)對(duì)剪應(yīng)力的剪應(yīng)變定量計(jì)算存在多種問(wèn)題，仍需進(jìn)一步研究。而對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料來(lái)說(shuō)，為了提高抗剪切力，往往會(huì)在材料中添加其他材料顆粒來(lái)進(jìn)行提高，但是對(duì)不同金屬材料來(lái)說(shuō)，材料顆粒種類的選擇會(huì)對(duì)增強(qiáng)效果有著較高的影響，而對(duì)該方面的研究仍不足[3]。

1 金屬?gòu)?fù)合材料剪切力學(xué)性能研究

1.1 金屬?gòu)?fù)合材料陶瓷增強(qiáng)極限強(qiáng)度

本文研究的金屬?gòu)?fù)合材料為：Al2O3p/2024、SiCp/2024、SiCp/7075、SiCp/Al。在該四種材料中均添加了陶瓷顆粒來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化。在對(duì)這四種材料進(jìn)行極限拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如下。（圖1）

在圖1中，金屬一為SiCp/Al，金屬二為SiCp/2024，金屬三為Al2O3p/2024，金屬四為SiCp/7075。其中SiCp/2024的復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)化效率，而材料中SiCp/7075雖然增強(qiáng)顆粒的含量較高，但復(fù)合材料的強(qiáng)度卻出現(xiàn)了降低的情況，而Al2O3p/2024金屬?gòu)?fù)合材料的強(qiáng)度出現(xiàn)的增強(qiáng)情況較低，而使用的陶瓷顆粒的含量提高至25%以上后，該金屬?gòu)?fù)合材料的強(qiáng)度開(kāi)始下降，在進(jìn)行基體性能推測(cè)時(shí)SiCp/7075復(fù)合材料的增強(qiáng)物的含量對(duì)比其他體系存在更高的強(qiáng)度。而根據(jù)相關(guān)研究的結(jié)論，在使用陶瓷顆粒來(lái)對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，顆粒在金屬材料中的塑性流變呈現(xiàn)出不均勻性，而流變量在金屬離子的尖角附近時(shí)為最大。因此陶瓷材料對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料的強(qiáng)化時(shí)出現(xiàn)加工應(yīng)變后造成的應(yīng)變轉(zhuǎn)移可能會(huì)對(duì)界面裂紋推遲萌生，并起到增強(qiáng)的作用。而在實(shí)際的研究中發(fā)現(xiàn)，7075合金中添加陶瓷顆粒進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，形變硬化的提升情況低于2024合金，也造成了SiCp/7075復(fù)合材料出現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)差的問(wèn)題。而在使用陶瓷來(lái)對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行增強(qiáng)的研究中，根據(jù)陶瓷增強(qiáng)體的角度來(lái)分析，在陶瓷顆粒中的碳化硅顆粒以及氧化鋁顆粒在對(duì)同樣的金屬材料的相容性差別較大，碳化硅顆粒的潤(rùn)濕性要優(yōu)于氧化鋁顆粒。而經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)Al2O3p/2024材料在進(jìn)行陶瓷顆粒增強(qiáng)時(shí)，所添加的陶瓷顆粒含量較低時(shí)表現(xiàn)出的增強(qiáng)效果越好，當(dāng)含量大于5%時(shí)，則強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)下降。

圖1 陶瓷增強(qiáng)顆粒含量對(duì)不同復(fù)合材料的影響

1.2 TiAl金屬間化合物強(qiáng)化

為了驗(yàn)證金屬?gòu)?fù)合材料的剪切力學(xué)性能的強(qiáng)化特征，選擇使用TiAl金屬間化合物來(lái)進(jìn)行復(fù)合金屬材料強(qiáng)化。本文對(duì)其進(jìn)行研究中，使用原料為Ti粉，Ti粉的粒度<56μm純度為99.7%。Al分的粒度<60μm，純度為99.3%。在使用TiAl金屬間化合物來(lái)進(jìn)行復(fù)合材料強(qiáng)化時(shí)，上述的四種金屬?gòu)?fù)合材料均出現(xiàn)了彌散強(qiáng)化現(xiàn)象。在TiAl金屬間化合物的作用下，金屬?gòu)?fù)合材料在第二相中以細(xì)小的彌散微粒分布在基體相中，并出現(xiàn)較為顯著的強(qiáng)化作用，其中SiCp/Al材料受影響最大，在增強(qiáng)相上TiAl中的出現(xiàn)原位反應(yīng)并產(chǎn)生相微粒，而相微粒反應(yīng)生成后，不會(huì)與基體相中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)理論中的彌散強(qiáng)化理論。而在檢測(cè)材料的剪切力時(shí)，材料隨著外力的增大，位錯(cuò)線的受阻部分彎曲不斷加大，而圍繞在金屬?gòu)?fù)合材料間的離子位錯(cuò)線相遇，使顆粒周圍出現(xiàn)一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，而這也就導(dǎo)致了在位錯(cuò)線上剩余粒子繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。同時(shí)經(jīng)由彌散強(qiáng)化后的金屬?gòu)?fù)合材料會(huì)在外界的剪切應(yīng)力下構(gòu)成障礙，其障礙作用較強(qiáng)，使受強(qiáng)化的復(fù)合材料的強(qiáng)度得到提高。但在實(shí)際測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)彌散強(qiáng)化后材料的抗剪切力雖然得到了增強(qiáng)，但是材料受到拉應(yīng)力時(shí)易出現(xiàn)裂紋，而情況也在SiCp/Al材料中最明顯。

1.3 化學(xué)鍍對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料的剪切力學(xué)影響

化學(xué)鍍方法是在金屬的基膜上表面中鍍上金屬鉑，對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料的基膜表面粗化后進(jìn)入溶液中來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子交換，然后使用硼氫化鈉來(lái)還原金屬鉑原子，實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)合材料的化學(xué)鍍強(qiáng)化?；瘜W(xué)鍍后，在金屬?gòu)?fù)合材料上出現(xiàn)了Pt性IPMC表面，而離子交換膜基體屬于簇狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)因還原反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，形成了Pt原子顆粒團(tuán)，厚度在6?23μm左右，同時(shí)經(jīng)過(guò)鍍層金屬層的膜內(nèi)延伸，導(dǎo)致鍍層金屬的表面在一定程度上降低了還原反應(yīng)的效率。而在經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍的金屬?gòu)?fù)合材料在受到剪切力的影響下Pt顆粒在應(yīng)力作用下對(duì)復(fù)合金屬材料進(jìn)行了填充，同時(shí)基膜的力學(xué)性能復(fù)模較好。而四種金屬?gòu)?fù)合材料中，化學(xué)鍍的力學(xué)強(qiáng)化性能相仿。而在階梯層的組成時(shí)，由于基膜和顆粒充填復(fù)合物混合，在厚度方向上，存在不同的混合比例，導(dǎo)致金屬?gòu)?fù)合材料的抗拉伸力在材料上的不同區(qū)域結(jié)果不同。就抗剪切力上，四種材料均獲得較好的增強(qiáng)。

1.4 鋁基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)分析

在上述材料中受到SiC顆粒的增強(qiáng)的復(fù)合材料為SiCp/2024、SiCp/7075、SiCAl。而顆粒尺寸與界面對(duì)鋁基復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能將會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致粒徑較小的材料表現(xiàn)出了較高的流變應(yīng)力。而大顆粒的金屬?gòu)?fù)合材料在受到應(yīng)力影響后，容易出現(xiàn)微裂紋，同時(shí)經(jīng)過(guò)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)微裂紋時(shí)，界面時(shí)裂紋擴(kuò)展的位置，同時(shí)容易出現(xiàn)材料失效的情況。而上文中Al2O3p/2024采用的Al2O3顆粒將會(huì)在一定程度上對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)基體來(lái)說(shuō)將會(huì)形成應(yīng)變率效應(yīng)。在經(jīng)過(guò)Al2O3顆粒強(qiáng)化后的金屬?gòu)?fù)合材料中，應(yīng)變率將會(huì)跟著流變應(yīng)力提升而提升，同時(shí)因應(yīng)變率效應(yīng)，導(dǎo)致材料在應(yīng)變率較高的情況下容易出現(xiàn)脆性斷裂，同時(shí)顆粒的含量過(guò)高時(shí)，容易產(chǎn)生剪切破壞。而SiC顆粒中的晶須時(shí)金屬?gòu)?fù)合材料在切變中提高了流變應(yīng)力，纖維在受到動(dòng)態(tài)沖擊下，仍能保持較好的抗沖擊性。

2 金屬?gòu)?fù)合材料剪切力學(xué)性能測(cè)試方法探討

2.1 金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)壓剪MTS加載

目前國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者在對(duì)金屬材料進(jìn)行剪切力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，常常使用帽形試樣以及雙剪切試樣的測(cè)試方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。而金屬材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓剪測(cè)試往往在MTS電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在測(cè)試中，MTS機(jī)的上壓頭經(jīng)過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行，同時(shí)該材料試驗(yàn)機(jī)中安裝了數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在進(jìn)行測(cè)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)壓頭位移變化、加載壓力等參數(shù)進(jìn)行記錄。同時(shí)通過(guò)對(duì)該試驗(yàn)機(jī)加載速率的調(diào)整，可以記錄下在不同的應(yīng)變率下材料受到壓力后的位移曲線，同時(shí)壓力會(huì)保持均勻連續(xù)加載下，將試樣破壞并保持在預(yù)先設(shè)定的最大位移后終止。而在使用MTS材料試驗(yàn)機(jī)加載時(shí)為了滿足測(cè)試時(shí)的特點(diǎn)，往往采用片式形狀的準(zhǔn)靜態(tài)夾持裝置來(lái)對(duì)被測(cè)試材料進(jìn)行夾持，該裝置采用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行加工，同時(shí)刻制著兩個(gè)雙剪切試樣來(lái)支撐被測(cè)材料。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)試樣支撐放在通槽內(nèi)，而刻槽避免了被測(cè)材料的橫向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)這種夾持方法來(lái)減少試樣的彎曲。同時(shí)剪切區(qū)中的變形狀態(tài)為簡(jiǎn)單剪切。但采用帽形試樣時(shí)，材料的內(nèi)部應(yīng)力難以均勻分布，影響測(cè)試的準(zhǔn)確。

2.2 SHPB單脈沖加載技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的剪切區(qū)的觀測(cè)，往往使用SHPB技術(shù)來(lái)進(jìn)行加載雙剪切試樣。在使用SHPB技術(shù)來(lái)對(duì)材料中的應(yīng)變率的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)力桿上傳播出的應(yīng)力波可以進(jìn)行應(yīng)力加載，同時(shí)傳播信息通過(guò)設(shè)備進(jìn)行記錄，可以得出壓桿和被測(cè)金屬材料上的應(yīng)力以及位移關(guān)系，確認(rèn)被測(cè)材料的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。而由于反射拉伸波會(huì)進(jìn)入射桿同時(shí)對(duì)撞擊端造成壓縮波的反射，因此在入射桿的加載端，產(chǎn)生壓縮波，容易使回饋到的受載情況和數(shù)據(jù)記錄中的曲線不同，因此來(lái)射桿前，添加可以跟隨到的拉伸波，并在入射桿中的添加傳遞法蘭，同時(shí)與質(zhì)量塊上進(jìn)行連接。而SHPB測(cè)試技術(shù)，通過(guò)應(yīng)力波來(lái)進(jìn)行假定，由壓桿的變形保持平面，并在平面上分布均勻的軸向應(yīng)力，同時(shí)要求壓桿的直徑保持較小，降低橫向慣性效應(yīng)。同時(shí)應(yīng)力應(yīng)變?cè)诰鶆蛐韵?，?yīng)力波在試樣中反射，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變會(huì)逐漸均勻化，同時(shí)內(nèi)應(yīng)力會(huì)隨著長(zhǎng)度方向分布。在使用SHPB技術(shù)時(shí)，不需考慮壓桿以及被測(cè)金屬材料上的摩擦效應(yīng)，同時(shí)加工時(shí)的表面不光滑程度受到壓桿以及被測(cè)金屬材料的橫向變形的不均勻性。同時(shí)在被測(cè)金屬?gòu)?fù)合材料中，添加一個(gè)加載端以及兩個(gè)支撐端，在兩處相同的剪切區(qū)域中，剪切尺寸會(huì)隨著材料的不同應(yīng)力以及應(yīng)變狀態(tài)和變形程度的影響。為了保證測(cè)試時(shí)不會(huì)發(fā)生橫向位移，設(shè)置環(huán)形管的夾持裝置。同時(shí)在裝置的一端中，通過(guò)兩個(gè)剪切試樣來(lái)對(duì)通槽實(shí)現(xiàn)支撐，并在支撐端的通槽上和透射桿進(jìn)行接觸，刻槽上可以限制試樣的橫向運(yùn)動(dòng)，并仍能保證可以精確地對(duì)測(cè)量桿中的信號(hào)接收。同時(shí)因SHPB中測(cè)量的力以及位置是通過(guò)對(duì)試樣剪切的剪切計(jì)算，夾持裝置的后測(cè)試裝置的橫向運(yùn)動(dòng)受到限制時(shí)，在材料的剪切區(qū)上反映的變形狀態(tài)則作為簡(jiǎn)單剪切。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)列舉了四種代表性的金屬?gòu)?fù)合材料，并對(duì)它們采用了多種強(qiáng)化方法進(jìn)行剪切力性能分析，得出各金屬?gòu)?fù)合材料在不同的剪切強(qiáng)化下的力學(xué)性能。并列舉了兩種常見(jiàn)剪切力學(xué)性能測(cè)試方法。未來(lái)研究中，可以對(duì)復(fù)合材料中本身材料進(jìn)行深入研究，并確認(rèn)材料本身的剪切力學(xué)性能強(qiáng)化。同時(shí)對(duì)材料的失效參數(shù)進(jìn)行研究。