1、1 绪论1.1研究的目的及意义金属基复合材料是在树脂基复合材料的基础上发展起来的。最初在60年代初期开始有所发展，但由于当时制备技术等各种因素的制约，并没有引起广泛的注意。进入到70年代后期，由于高新技术对材料的各种性能要求日益提高，金属基复合材料以其优良的性能引起各国政府、工业界的重视，被誉为先进复合材料，与传统材料相比较，它具有重量轻、高比弹性模量、高比强度、耐疲劳、耐磨损、低能耗、低膨胀系数等特点，具有在军事、航天航空、汽车、机械、电子等各种领域应用的可能性1。在高温下制备复合材料时，基体与增强体之间极易发生有害的界面反应，而合适的界面涂层不但能有效阻挡这类反应，而且还可以对复合材料界面
2、残余应力的分布起到一定的调节作用2。在复合材料使用过程中，由于基体和纤维性能的差异，热残余应力的存在不可避免，它对复合材料的力学性能有着重要影响，有时甚至会导致基体开裂，因此受到人们的高度重视3。由于材料不同且具有不同力学性能的界面层，其厚度和性能会对复合材料的有效性能产生剧烈的影响4，所以合适的界面厚度使得基体与基体的界面结合适中，有利于材料性能的提高5。金属基复合材料的内部残余应力对复合材料的力学性能具有重大影响, 为了预测金属基复合材料内部残余应力的大小及影响，许多学者都致力于研究金属基复合材料内部残余应力的理论计算模型6。广义地说，残余应力是一种普遍存在的现象，产生残余应力的原因也是多
3、种多样的。金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有：(1)基体与增强体之间界面结合良好；(2)温度变化；(3)增强体与基体之间的热膨胀系数差异7。而这些简化模型的界面层具有一定的厚度，界面结合的好坏由界面层材料力学性能来表征8。并且建立一些模型对于分析和理解热残余应力的分布特征和变化趋势是非常有用的9。几年来，随着计算机技术和有限元方法的快速发展，引发了数值模拟技术的热潮，数值模拟技术的应用，不仅可以节省实验时问、节约研究经费，而且对研究残余应力对复合材料性能的作用规律、促进金属基复合材料的应用与发展都具有重大意义6。因此全面了解复合材料残余应力的各种影响因素、残余应力状态及分布规律，对复
4、合材料的强度估算和寿命预测等具有重要的指导意义2。1.2研究现状尽管金属基复合材料目前尚未获得大规模应用，但这些性能均可在一定范围内加以设计，必定存在着能充分发挥其性能优势的应用领域，会有更加广阔的前景9。随着力学理论和计算机技术的飞速发展，金属基复合材料的力学分析得到了很大进步。在其力学模型方面，用有限元计算技术与力学和材料科学相结来进行研究10。又鉴于复合材料的成型工艺占其成本的60%70%，所以研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法是当务之急11。残余应力决定了复合材料变形的特殊性，大量研究人员对此进行了深入的研究，并取得了重大进展12。从有关文献与资料可以
5、得知，数十年来，美、法、俄、德、日等国家对金属基复合材料残余应力的抑制与消除技术上的理论研究一直非常重视，在实际生产工艺中也达到了相当高的工艺水平13。对热残余应力分布的影响分析中，我国权高峰等人进行了弹塑性分析计算，结果表明单程变温造成的微观热应力和残余应力其绝对值均沿径向按指数或对数规律减小，而且受热或冷却时基体中的屈服首先发生在界面处，并逐渐向基体中扩展14。王玉庆等15对涂层在复合材料中的力学行为进行了理论分析,指出界面残余应力是热膨胀系数与弹性模量综合作用的结果,高模量涂层在热膨胀系数低时才能减小界面残余应力,而低模量涂层不论热膨胀系数大小均能减小界面残余应力。丁向东等16运用轴对称
6、有限元法得出残余应力会降低拉伸过程中的应力传递，加强压缩过程中应力传递，使复合材料室温抗压强度高于抗拉强度。马志军等17以SiC/Ti-24Al-11V为研究对象，分析了纤维体积分数与残余应力的关系，得出纤维体积分数也会对残余应力产生影响。国外对材料中热残余应力的分析也有一些成果。诸如Harris等18提出垂直于纤维方向的热残余应力模型，并假设纤维被埋在具有复合材料宏观属性的等效基体中，利用等效弹性模量得出接触压力与纤维组分之间的关系。Nairn等19首先针对含有均匀界面相的复合材料热残余应力进行研究。Jayaraman等15给出三种含有性能梯度界面的复合材料热残余应力分布。Mitaka等20
7、给出四相模型（纤维、界面相、树脂、等效基体）。Kim和Mai等21通过单丝三相模型建立界面相参数与纤维树脂接触压力之间的关联关系。当下运用计算机及有限元技术进行计算仿真成为热门，国内外也将其运用于航空、电子和汽车等行业。先以CAD/CAM技术为例，德国COPRA系统能完成设计、成型工艺过程模拟、生产图纸、成本计算、毛坯管理、计算机数控制造、质量控制的整个过程的全面的、集成化的软件解决方案，具有独特的成型过程模拟与优化技术和高效率的成本计算功能。而国内工作人员吸收了国外的技术和经验，也取得了一些成绩22。再以CAE技术为例，美国DEFORM仿真模拟的应用将大大减少生产过程中不必要的流程不但保证产
8、品质量而且提高工作效益。国内在塑性成形模拟软件方面跟国际上相比还存在很大的差距，但也相继开发一些软件23。例如我国三一重工泵送机械公司就利用有限元分析的方法指导开展工艺方法的研究，公司主要仿真焊接变形情况24。1.3钛基复合材料1.3.1钛基复合材料概述钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入刚硬陶瓷增强体的一种复合材料。它把金属的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更高的剪切强度和压缩强度以及更好的高温力学性能.Ti-6A1-4V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-6A1-4V合金具有良好的加工
9、性能，当Ti-6A1-4V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4。1.3.2铁基复合材料的产生钛基复合材料的研究开始于70年代，在80年代中期，美国航天飞机和整体高性能涡轮发动机技术以及欧洲、日本的同类发展计划的实施推动了钛基复合材料的发展。例如美国Dynamet技术公司开发的CermeTi系列TiC/Ti-6AI-4V复合材料，用作半球形火箭壳、导弹尾翼和飞机发动机零件。日本丰田公司利用粉末冶金法制备了TiB短纤维增强Ti-7Mo-4Fe-2AL-2V复合材料，成功应用在丰田引擎中，作为进气、出气阀的材料5。1.3.3钛
10、基复合材料的优点钛基复合材料表现出以下优点6:(1)制备工艺简单，可以用钛合金传统的冶炼和加工的设备制备大尺寸的钛基复合材料，如:挤压、锻造、轧制，大大降低了成本；（2)增强体和基体在热力学上稳定，因此在高温工作时，性能不易退化；（3)增强物和基体的界面干净，没有界面反应物；（4)原位生成的增强相在基体中分布均匀，表现出优良的机械性能。1.3.4钛基复合材料的制备工艺热压扩散结合法6:连续增强相钛基复合材料的制备工艺。原位生长法：不连续增强相钛基复合材料备工艺。纤维增强钛基复合材料的制备方法，热压扩散结合法：控制纤维中心距，采用纤维分层叠加的方式；控制温度和时间，采用扩散焊合机控制温度和焊合速
11、度；真空热压扩散结合是制备连续纤维金属基复合材料的传统工艺。在一定温度下的压力下，把均匀排布在新鲜清洁表面的基体箱片或（复合）先驱丝通过基体金属表面原子的相互扩散而连接在一起。扩散结合在真空中进行。其关键是热压工艺参数的控制，包括温度、压力和时间。其压力应有一定下限，防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成“眼角”空洞缺陷。1.3.5钛基复合材料的应用钛基复合材料主要分为两大类；连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。早期研究的主要领域是以碳化硅纤维增强的钛基复合材料，可显著提高基体合金的机械性能，但纤维增强钛基复合材料受到以下几个因素的制约：碳化硅纤维价格昂贵、加工工艺复杂、各向异
12、性。此外，钛基复合材料中SiC纤维与钛基体热膨胀系数相差较大，容易在制备和服役过程中产生较大的热应力，且在高温条件下与钛基体发生界面反应而生成TiCX、Ti5Si3(C)等产物，严重影响复合材料的性能。上述几个因素严重地限制了连续纤维增强钛基复合材料的应用5。以外加或原位生成的非连续增强钛基复合材料因其制备和加工工艺与钛合金相似，成本与钛合金材料接近，有望在航空航天和军工领域的许多高温结构中获得实际应用。低密度、高模量和高强度的陶瓷颗粒或短纤维加入钛合金基体中，可显著提高材料的比模量、比强度和蠕变性能，进一步提高它的使用温度，以满足高温钛合金不断发展的需要。因此，非连续增强钛基复合材料是目前的
13、重要研究方向。此外，陶瓷增强相可显著提高基体合金的耐磨性，结合钛合金耐腐蚀的优点，满足航空航天和军工领域对材料耐磨、耐蚀的要求5。1.4复合材料的界面及其热残余应力1.4.1复合材料界面概述复合材料界面是指复合材料的基体与增强材料之间化学成分有显著变化的、构成 彼此结合的、能起载荷等传递作用的微小区域。复合材料界面是一层具有一定厚度(纳米以上）、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相界面相(或称界面层）。因为增强体和基体互相接触时，在一定条件的影响下，可能发生化学反应或物理化学作用，如两相间元素的互相扩散、溶解，从而产生不同于原来两相的新相，从而导致这个局部基体的性能不同于基体的本体性
14、能，形成界面相。界面相也包括在增强体表面上预先涂覆的表面处理剂层和增强体经表面处理工艺而发生反应的表面层7。1.4.2复合材料界面中热残余应力的产生残余应力是指工件经热处理后最终残存下来的应力。金属基复合材料需在基体溶点附近的高温下制备，一方面高温下基体与增强体之间会发上化学反应形成一些新相，导致体积改变，形成残余应力；另方面金属基复合材料从加工温度冷却到室温时，内外冷却速度的差异以及基体与增强体之间热膨胀系数的不匹配也会在复合材料中引起残余应力。1.4.3复合材料中热残余应力的影响因素(1)纤维涂层的影响 高温下制备复合材料时，基体与增强体之间极易发生有害的界面反应，而合适的界面涂层不但能有
15、效阻挡这类反应，而且还可以对复合材料界面残余应力的分布起到一定的调节作用。Bin Huang等9研究了C、C/TiB2涂层对SiC/TI-6Al-4V复合材料界面残余应力的影响，认为涂层对复合材料界面径向及轴向残余应力的影响不大，但是周向应力变化显著。与没有涂层相比，C涂层使临近基体一侧界面轴向拉伸应力明显增大。这主要是因为在没有涂层、有C涂层和TiB2涂层的情况下界面相材料分别为TiC、C、及TiC和C及TiB2。(2)制备工艺条件的影响材料性能一定时，制备温度成为影响界面残余应力的主要因素，其计算公式(T=EATAff,由公式可知，温度变化量越大，界面残余应力越大。Xian Luo等12研究了Si/Cu复合材料制备温度对残余应力的影响，认为纤维四方排列，体积分数35%的复合材料制备温度有650上升到750时，相应的界面最大轴向应力（绝对值）与最大周向应力分别增加了3MPa和5MPa。为此，在满足性能要求的前提下应尽量减低复合材料制备温度，以减小残余应力。文献12指出，复合材料无应力起始温度为基体金属熔点的1/2,李健康等13虽采用混合准则及Schapery模型计算出SiC/Ti-6Al-4V残余应力的起始温度为704，但均没有考虑冷却速率对这一温度的影响14。(3)界面层的影响复合材料界面相存在的残余应力，是由于基体的固化或凝固收缩和两相间热膨胀系数的失配而造
