2.复合材料的基本理论

复合材料的基本理论

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复合材料的基本理论

2. 复合材料的基本理论力学性能的复合法则增强原理 弥散增强 颗粒增强 长纤维增强 短纤维增强

几种主要的力学模型层板模型 切变延滞模型 连续同轴柱体模型 有限差分与有限元模型

物理性能的复合法则加和特性 传递特性

复合材料的基本理论

复合材料的基本理论

材料的微观组织 形状、分散程度 体积分数 几何学特征

复合材料的 基本理论

原材料的性能 力学性能 物理性能 界面的状态

复合材料的 整体性能

复合材料理论与组织、性能之间的关系

复合材料的基本理论

2.1 力学性能的复合法则 所谓第二相颗粒强化是指弥散分布于合金组织中的第二相 粒子可以成为阻碍位错运动的有效障碍， 粒子可以成为阻碍位错运动的有效障碍，是一种用于强化 金属材料的有效方法之一。 金属材料的有效方法之一。在金属基复合材料的制备过程 中，常常采用内氧化及粉末冶金等方法有目的的往基体材 料中添加入第二相粒子，这样添加的第二相粒子会对基体 料中添加入第二相粒子， 起到一定的强化作用， 起到一定的强化作用，这种通过人为的方法加入第二相粒 子来强化材料的方法叫做材料的弥散强化， 子来强化材料的方法叫做材料的弥散强化，有时也称颗粒 强化。在制备弥散强化复合材料时， 强化。在制备弥散强化复合材料时，常采用的弥散相包括 碳化物、氮化物、氧化物等。 碳化物、氮化物、氧化物等。一直以来研究的热点是是氧 化物弥散强化( 强化铜、 化物弥散强化(ODS)合金，例如 2O3强化铜、ThO2强 )合金，例如Al 化镍基高温合金、 化镍基高温合金、Y2O3强化核燃料包壳管用铁素体不锈钢 等。

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主要机理是位错与第二相微粒的 作用(1)位错切过强化机制 (a)有序强化----反相畴界 (b)界面强化----产生新界面 (c)共格应变强化----对位错产生“力” (d)层错强化----扩展位错宽度将变化 (e)弹性模量强化----位错应变能发生变化

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(2)位错非切过强化机制(a)低温、高外加应力的位错 )低温、高外加应力的位错Orowan拱弯机制 拱弯机制 (b)高温、低外加应力的位错攀移机制 )高温、 ①“局部攀移”模型 ①“局部攀移 局部攀移” ②“整体攀移”模型 ②“整体攀移 整体攀移”

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(3)其它强化机制 (a) 安塞尔一勒尼尔机理 (b) 颗粒钉扎晶界( Hall - Petch)机制 (c) 残余应力场强化

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1) 弥散增强主要由基体承担载荷 弥散质点阻碍基体中的位错运动 阻碍能力越大，强化效果越好

条件：质点是均匀分布的球形 d为直径 Vp为体积分数 Gm为基体的切变模量 b为柏氏矢量

弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果

越好。

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颗粒增强颗粒的尺寸较大 基体承担主要的载荷 颗粒也承担载荷 约束基体的变形

Gp为颗粒的切变模量 C为常数

颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。

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(4)影响弥散强化的因素( a) 弥散相的性质----硬度、化学稳定性 (b )弥散相与基体间的作用---不溶解，不反应, 界面能小 ( c )基体的性质 ---(d )弥散相的形态----弥散相的含量、粒度和粒 子间距 (e )制备方法---- ①机械合金化法 ②共沉淀法 ③化学浸润法 ④溶胶﹣凝胶法 ⑤内氧化法

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2) 连续纤维增强 并联模型

串联模型基体

增强体

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连续纤维增强( 连续纤维增强(并联模型，等应变模型) )复合材料的载荷=基体载荷+纤维载荷 Pc=Pm+Pr 因为P=σ A,所以σ c A c= σ m A m+ σ r A r ----(1) A c = A m+ A r A m / A c= f m A r / A c= f r (体积分数) 即(面积分数=体积分数) (1)式两边同除以A c , σ c A c / A c = σ m A m / A c + σ r A r / A c 即σ c = σ m f m + σ r f r ----(2) 基体与纤维发生同样的应变ε c=ε m=ε f =ε (2 )式两边同除以ε, σ/ ε= E

E c = E m f m+ E r f r

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连续纤维增强( 连续纤维增强(串联模型，等应力模型) )

E m f r + E r (1 f r ) fm fr 1 = + = Ec Em Er Em ErEf并联模型

Em

串联模型

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短纤维增强 短纤维(不连续纤维)增强复合材料受力时， 力学特性与长纤维不同。该类材料受力基体变形 时，短纤维上应力的分布载荷是基体通过界面传 递给纤维的。在一定的界面强度下，纤维端部的 切应力最大，中部最小。而作用在纤维上的拉应 力是切应力由端部向中部积累的结果。所以拉应 力端部最小，中部最大。

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短纤维增强σmax σ l<l0 l=l0l/2

L >l0

作用在短纤维上的平均拉应力为

1 l l σ = ∫ σ f dl = σ f ,max 1 (1 β ) 0 l 0 l

l ≥ l0

β为图中l0/2线段上的面积与(σf,max乘以l0/2积)之比值。 当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则β=1/2,因此

l0 σ = σ f ,max 1 2l

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短纤维增强若基体屈服强度为τmy …… 此处隐藏：760字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……