金属基复合材料蠕变性能的研究现状和展望3田　君1,2,李文芳1,韩立发2,彭继华1(1华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640;2东莞理工学院机械工程学院,东莞523808)摘要 综述了国内外金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究进展。

重点分析了蠕变理论研究中的3种理论模型的特点,指出理论研究的核心问题是位错越过第二相的机制以及门槛应力的来源。

详述了目前蠕变实验研究的各种实验方法与特点。

讨论了利用计算机有限元分析来进行蠕变研究的优点。

针对目前我国金属基复合材料的抗高温蠕变性能的研究方法提出了一些看法和展望。

关键词 金属基复合材料　位错　门槛应力　蠕变R esearch and Development Creep of Metal Matrix CompositesTIAN J un 1,2,L I Wenfang 1,HAN Lifa 2,PEN G Jihua 1(1　College of Materials Science and Engineering ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640;2　Collegeof Mechanical Engineering ,Dongguan University of Technology ,Dongguan 523808)Abstract Research development on high temperature creep of metal matrix composites at home and abroad are summarized.The three theoretical models of the creep theory studies are focused on analyzing ,and the core issue of theoretical studies is a mechanism of the dislocation over the second phase and the threshold stress sources.Characte 2ristics of various experimental methods of the current creep experimental studies are recounted.Advantages of the computer finite element analysis in creep studies are discussed.The research trends and development on high tempera 2ture creep of metal matrix composites in China are presented.K ey w ords metal matrix composites ,dislocation ,threshold stress ,creep　3东莞市高等院校科技计划项目(2008108101028);广东省金属新材料成型制备重点实验室开放基金资助项目(2008001)　田君:1968年生,副教授,博士研究生　E 2mail :841608534@ 李文芳:通讯作者,1964年生,教授,博导　E 2mail :mewfli @ 在能源、石油化工和航空航天等工业装置中,很多构件需在高温下工作。

如火力发电的蒸汽温度可达到570℃,飞机涡轮叶片的工作温度高达1000℃以上,制氢转化和乙烯裂解温度分别达到950℃和1050℃。

对这类装置材料最重要的性能要求是高温强度[1],然而常规材料无法满足高温强度性能,只有新型的高温结构材料才能胜任,如金属间化合物、陶瓷、聚合物、复合材料等。

在这些高温结构材料中,只有金属基复合材料(MMC )才具有比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点,在汽车、电子通信、航空航天和国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景,被誉为“21世纪绿色工程材料”[2]。

MMC 的高温强度性能是指材料对高温变形与断裂的抗力。

它们长期在高温并受一定载荷的环境下工作,会发生缓慢的塑性变形,也就是我们常说的蠕变。

研究其蠕变性能是设计MMC 材料高温环境工作的关键。

MMC 的蠕变性能与下列因素相关:基体的蠕变性能,增强体的弹性和断裂特性,增强体的尺寸参数、分布以及增强体与基体界面性能等[3-6]。

也就是需要了解MMC 材料的宏观性能与其细观结构和组成之间的关系,因此需要建立这两者关系模型。

从这一实际出发,近年来,国内外学者对MMC 的宏观性能与细观结构性能进行了大量研究,并取得了相当丰富的研究成果。

从蠕变研究方法上讲,按其发展过程大体可分为3类:第一类是理论研究,建立理论模型;第二类是蠕变试验研究;第三类是结合试验数据建立有限元计算模型,进行计算机模拟。

1　理论研究MMC 蠕变一般有以下共同特征:(1)蠕变速度比相同条件下没有强化的基体合金小得多,第二相强化显著地提高蠕变抗力,且第二相体积分数、尺寸、在基体中的分布以及结合界面等都会影响强化作用。

(2)蠕变速率与应力关系仍可用 ε∝σn表示,而应力指数n 一般为7～8,甚至达到10～40。

(3)蠕变激活能远大于基体的自扩散激活能。

(4)存在门槛应力,外加应力低于门槛应力时MMC 不发生蠕变。

门槛应力值一般是Orowan 应力的1/2左右。

至今还没有一种蠕变理论对上述所有的蠕变特征给出满意的解释。

迄今研究的核心问题是位错越过第二相的机制以及门槛应力的来源。

由于MMC 强化有粒子强化、晶须强化及纤维强化,为便于说明,不妨以粒子强化为例,围绕核心问题所展开的粒子强化的MMC 理论研究模型有以下几种。

(1)位错通过Orowan 机制绕过粒子模型位错通过Orowan 机制绕过粒子,绕过粒子所需应力称为Orowan 应力,其最简化的表达式[7]为: τ0=Gb λ(1)式中:G 为基体的剪切模量,b 为位错柏氏矢量,λ为粒子间距。

当外加应力高于Orowan 应力时,位错通过Orowan 机制绕过粒子,蠕变速率遵循 ε=A (τ-τ0)n的幂律方程,Orowan 应力即为门槛应力。

(2)位错通过攀移越过粒子模型当外加应力低于Orowan 应力时,位错不能绕过粒子,但实际上MMC 仍发生蠕变,这说明高温下位错可以按Oro 2wan 机制以外的其它机制越过粒子,这个机制就是位错通过攀移越过粒子。

关于位错攀移越过粒子,已提出了2种模型,即局部攀移[8]和总体攀移[9]。

局部攀移就是靠近粒子的位错段攀移越过粒子,而其余位错段仍在原滑移面上滑移。

位错攀移的阻力源于位错线长度的增加。

根据这一模型,如果位错运动过程中外加应力所做的功小于位错线长度增加引起的线能量增加,攀移就不能继续进行,蠕变也就停止,这就是门槛应力的来源。

这一模型的理论研究导出的门槛应力τth =0.4τ0。

局部攀移与实际材料蠕变中观察到的值基本接近,但是,局部攀移模型中的位错在粒子表面处有尖锐弯曲,这显然不是合理的假设,因为位错线在张力的作用下总是要自身拉直。

考虑到这一点,提出了较为合理的总体攀移模型。

总体攀移就是粒子处位错攀移带动滑移面的位错一起攀移,此时位错线长度的增加与局部攀移相比小得多,因此攀移阻力也小得多。

对这一模型的理论分析导出的蠕变门槛应力要比实验值小得多(τth ≈0.1τ0)。

根据局部攀移模型与总体攀移模型建立的蠕变理论多数不能导出与实验结果一致的蠕变本构方程,特别是蠕变门槛应力值与实验结果多数也不能相符。

(3)位错切割粒子模型在适当的条件下基体位错可以穿过粒子滑移,也就是位错切割粒子。

位错切割粒子的过程是非热激活的,蠕变门槛应力值实际上等于第二相粒子引起的临界切应力增量,也就是位错切割粒子所需的切应力为蠕变门槛应力。

在处理位错与第二相粒子的交互作用时,将粒子分成2种类型,即点状障碍和漫散障碍。

当第二相粒子的尺寸很小、粒子间距很大时,可将第二相粒子看成点状障碍。

点状障碍模型假定,在位错与粒子直接接触时才发生交互作用。

应力场是漫散的,因此位错与第二相粒子应力场的交互作用也有一定的范围,处理这类问题时可把粒子看成有一定尺寸和交互作用能的漫散障碍。

一般来说,一种粒子既有点状障碍特性也有漫散障碍特性。

Fleischer [10]根据此模型计算出了位错切割粒子所需的切应力:τ=(F m 2T )3/2(2Tlb)(2) F m =2T cos (φc2)(3)式中:F m 为位错线所受的力,T 为位错的线张力,b 为位错柏氏矢量,l 为滑移面上粒子的平均间距,φc 为位错脱离钉扎时的脱钉角。

根据此式求得的蠕变门槛应力值与实验结果比较接近。

由于MMC 种类繁多,性质各异,不可能用统一的本构方程来表示其蠕变规律,但是一般存在下列本构关系: εm ∝A (σ-σ0)nexp (-Q/R T )(4)式中: εm 为稳态蠕变速率,A 为材料常数,σ0为蠕变门槛应力,Q 为蠕变变形表观激活能,R 为气体常数。

2　蠕变试验研究蠕变理论模型是建立在一定的假设条件上的,各种模型有一定的合理性,也有一定的缺陷性,或多或少能说明某些类的MMC 的蠕变行为,在早期的蠕变研究中起到了重要作用,即使现在对蠕变试验也有很大的指导作用。

现在蠕变试验装置越来越先进,试验水平也越来越高,所得出的试验结果更能说明MMC 的蠕变本质。

但是蠕变试验的最大缺点就是试验时间比较长、试验成本比较高。

现在利用得较多的蠕变试验方法与特点大致如下。

2.1　三点弯曲法蠕变试验利用动态热分析仪器进行三点弯曲法测定复合材料在一定载荷水平和温度水平下试样的弯曲变形量,将弯曲变形量换算成形变量进行蠕变曲线测定。

南昌大学的胡强[11]利用如图1所示三点弯曲法测定SiC p /AZ61镁基复合材料的蠕变性能。

图1　三点弯曲法模式[11]Fig.1　Three 2point bending mode [11]图2为复合材料与基体的蠕变速率随时间变化的曲线(200℃、40MPa )[11]。

从图2中可以发现,在相同条件下,SiC p /AZ61镁基复合材料相对于AZ61基体合金来说具有较短的初始蠕变阶段、较低的稳态蠕变速率和较少总形变量,AZ61基体合金的抗蠕变性能在加入增强相SiC 颗粒后得到提高。

随着复合材料中SiC p 体积分数的增加,复合材料的抗蠕变性能提高明显。

SiC p /AZ61镁基复合材料相对于基体合金抗蠕变性能提高的主要原因是SiC 颗粒作为强钉扎点钉扎晶界,阻碍高温情况下界面的滑移和位错的攀移。