金屬復合材料剪切力學性能及測試方法探討

王麗娟

（鄭州工業(yè)應用技術學院，河南 鄭州 451150）

金屬復合材料應用在重要領域，而在使用中遇到強烈沖擊后，多數(shù)工程材料的力學性能在受沖擊時準靜態(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力集中而導致的[2]。而近些年中，國內外的學者對金屬材料的剪切力學行為進行了較多的研究，但對于材料的剪切力學性能的研究采用不同結構的剪切試樣，結合剪切區(qū)的應力應變情況來對剪應力的剪應變定量計算存在多種問題，仍需進一步研究。而對金屬復合材料來說，為了提高抗剪切力，往往會在材料中添加其他材料顆粒來進行提高，但是對不同金屬材料來說，材料顆粒種類的選擇會對增強效果有著較高的影響，而對該方面的研究仍不足[3]。

1 金屬復合材料剪切力學性能研究

1.1 金屬復合材料陶瓷增強極限強度

本文研究的金屬復合材料為：Al2O3p/2024、SiCp/2024、SiCp/7075、SiCp/Al。在該四種材料中均添加了陶瓷顆粒來進行強化。在對這四種材料進行極限拉伸強度測試結果如下。（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的復合材料具有較高的強化效率，而材料中SiCp/7075雖然增強顆粒的含量較高，但復合材料的強度卻出現(xiàn)了降低的情況，而Al2O3p/2024金屬復合材料的強度出現(xiàn)的增強情況較低，而使用的陶瓷顆粒的含量提高至25%以上后，該金屬復合材料的強度開始下降，在進行基體性能推測時SiCp/7075復合材料的增強物的含量對比其他體系存在更高的強度。而根據(jù)相關研究的結論，在使用陶瓷顆粒來對金屬復合材料進行增強時，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為最大。因此陶瓷材料對金屬復合材料的強化時出現(xiàn)加工應變后造成的應變轉移可能會對界面裂紋推遲萌生，并起到增強的作用。而在實際的研究中發(fā)現(xiàn)，7075合金中添加陶瓷顆粒進行增強時，形變硬化的提升情況低于2024合金，也造成了SiCp/7075復合材料出現(xiàn)增強效應差的問題。而在使用陶瓷來對金屬復合材料的力學性能進行增強的研究中，根據(jù)陶瓷增強體的角度來分析，在陶瓷顆粒中的碳化硅顆粒以及氧化鋁顆粒在對同樣的金屬材料的相容性差別較大，碳化硅顆粒的潤濕性要優(yōu)于氧化鋁顆粒。而經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)Al2O3p/2024材料在進行陶瓷顆粒增強時，所添加的陶瓷顆粒含量較低時表現(xiàn)出的增強效果越好，當含量大于5%時，則強度開始出現(xiàn)下降。

圖1 陶瓷增強顆粒含量對不同復合材料的影響

1.2 TiAl金屬間化合物強化

為了驗證金屬復合材料的剪切力學性能的強化特征，選擇使用TiAl金屬間化合物來進行復合金屬材料強化。本文對其進行研究中，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金屬間化合物來進行復合材料強化時，上述的四種金屬復合材料均出現(xiàn)了彌散強化現(xiàn)象。在TiAl金屬間化合物的作用下，金屬復合材料在第二相中以細小的彌散微粒分布在基體相中，并出現(xiàn)較為顯著的強化作用，其中SiCp/Al材料受影響最大，在增強相上TiAl中的出現(xiàn)原位反應并產生相微粒，而相微粒反應生成后，不會與基體相中產生化學反應，從而實現(xiàn)位錯理論中的彌散強化理論。而在檢測材料的剪切力時，材料隨著外力的增大，位錯線的受阻部分彎曲不斷加大，而圍繞在金屬復合材料間的離子位錯線相遇，使顆粒周圍出現(xiàn)一個位錯環(huán)，而這也就導致了在位錯線上剩余粒子繼續(xù)向前運動。同時經(jīng)由彌散強化后的金屬復合材料會在外界的剪切應力下構成障礙，其障礙作用較強，使受強化的復合材料的強度得到提高。但在實際測試時，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過彌散強化后材料的抗剪切力雖然得到了增強，但是材料受到拉應力時易出現(xiàn)裂紋，而情況也在SiCp/Al材料中最明顯。

1.3 化學鍍對金屬復合材料的剪切力學影響

化學鍍方法是在金屬的基膜上表面中鍍上金屬鉑，對金屬復合材料的基膜表面粗化后進入溶液中來實現(xiàn)粒子交換，然后使用硼氫化鈉來還原金屬鉑原子，實現(xiàn)金屬復合材料的化學鍍強化。化學鍍后，在金屬復合材料上出現(xiàn)了Pt性IPMC表面，而離子交換膜基體屬于簇狀結構，同時因還原反應時間長，形成了Pt原子顆粒團，厚度在6?23μm左右，同時經(jīng)過鍍層金屬層的膜內延伸，導致鍍層金屬的表面在一定程度上降低了還原反應的效率。而在經(jīng)過動態(tài)力學測試后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過化學鍍的金屬復合材料在受到剪切力的影響下Pt顆粒在應力作用下對復合金屬材料進行了填充，同時基膜的力學性能復模較好。而四種金屬復合材料中，化學鍍的力學強化性能相仿。而在階梯層的組成時，由于基膜和顆粒充填復合物混合，在厚度方向上，存在不同的混合比例，導致金屬復合材料的抗拉伸力在材料上的不同區(qū)域結果不同。就抗剪切力上，四種材料均獲得較好的增強。

1.4 鋁基復合材料動態(tài)力學分析

在上述材料中受到SiC顆粒的增強的復合材料為SiCp/2024、SiCp/7075、SiCAl。而顆粒尺寸與界面對鋁基復合材料的動態(tài)力學性能將會產生影響，導致粒徑較小的材料表現(xiàn)出了較高的流變應力。而大顆粒的金屬復合材料在受到應力影響后，容易出現(xiàn)微裂紋，同時經(jīng)過觀測，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)微裂紋時，界面時裂紋擴展的位置，同時容易出現(xiàn)材料失效的情況。而上文中Al2O3p/2024采用的Al2O3顆粒將會在一定程度上對金屬復合材料實現(xiàn)增強，同時對基體來說將會形成應變率效應。在經(jīng)過Al2O3顆粒強化后的金屬復合材料中，應變率將會跟著流變應力提升而提升，同時因應變率效應，導致材料在應變率較高的情況下容易出現(xiàn)脆性斷裂，同時顆粒的含量過高時，容易產生剪切破壞。而SiC顆粒中的晶須時金屬復合材料在切變中提高了流變應力，纖維在受到動態(tài)沖擊下，仍能保持較好的抗沖擊性。

2 金屬復合材料剪切力學性能測試方法探討

2.1 金屬材料準靜態(tài)壓剪MTS加載

目前國內外較多學者在對金屬材料進行剪切力學性能測試時，常常使用帽形試樣以及雙剪切試樣的測試方法來進行測試。而金屬材料的準靜態(tài)壓剪測試往往在MTS電子試驗機上進行，在測試中，MTS機的上壓頭經(jīng)過液壓驅動下進行，同時該材料試驗機中安裝了數(shù)據(jù)采集設備，在進行測驗時，可以通過對壓頭位移變化、加載壓力等參數(shù)進行記錄。同時通過對該試驗機加載速率的調整，可以記錄下在不同的應變率下材料受到壓力后的位移曲線，同時壓力會保持均勻連續(xù)加載下，將試樣破壞并保持在預先設定的最大位移后終止。而在使用MTS材料試驗機加載時為了滿足測試時的特點，往往采用片式形狀的準靜態(tài)夾持裝置來對被測試材料進行夾持，該裝置采用高強度鋼進行加工，同時刻制著兩個雙剪切試樣來支撐被測材料。在進行測試時試樣支撐放在通槽內，而刻槽避免了被測材料的橫向運動，通過這種夾持方法來減少試樣的彎曲。同時剪切區(qū)中的變形狀態(tài)為簡單剪切。但采用帽形試樣時，材料的內部應力難以均勻分布，影響測試的準確。

2.2 SHPB單脈沖加載技術

為了實現(xiàn)對材料的剪切區(qū)的觀測，往往使用SHPB技術來進行加載雙剪切試樣。在使用SHPB技術來對材料中的應變率的力學性能進行檢測時，應力桿上傳播出的應力波可以進行應力加載，同時傳播信息通過設備進行記錄，可以得出壓桿和被測金屬材料上的應力以及位移關系，確認被測材料的應力、應變關系。而由于反射拉伸波會進入射桿同時對撞擊端造成壓縮波的反射，因此在入射桿的加載端，產生壓縮波，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，同時與質量塊上進行連接。而SHPB測試技術，通過應力波來進行假定，由壓桿的變形保持平面，并在平面上分布均勻的軸向應力，同時要求壓桿的直徑保持較小，降低橫向慣性效應。同時應力應變在均勻性下，應力波在試樣中反射，導致應力應變會逐漸均勻化，同時內應力會隨著長度方向分布。在使用SHPB技術時，不需考慮壓桿以及被測金屬材料上的摩擦效應，同時加工時的表面不光滑程度受到壓桿以及被測金屬材料的橫向變形的不均勻性。同時在被測金屬復合材料中，添加一個加載端以及兩個支撐端，在兩處相同的剪切區(qū)域中，剪切尺寸會隨著材料的不同應力以及應變狀態(tài)和變形程度的影響。為了保證測試時不會發(fā)生橫向位移，設置環(huán)形管的夾持裝置。同時在裝置的一端中，通過兩個剪切試樣來對通槽實現(xiàn)支撐，并在支撐端的通槽上和透射桿進行接觸，刻槽上可以限制試樣的橫向運動，并仍能保證可以精確地對測量桿中的信號接收。同時因SHPB中測量的力以及位置是通過對試樣剪切的剪切計算，夾持裝置的后測試裝置的橫向運動受到限制時，在材料的剪切區(qū)上反映的變形狀態(tài)則作為簡單剪切。

3 結語

本文通過列舉了四種代表性的金屬復合材料，并對它們采用了多種強化方法進行剪切力性能分析，得出各金屬復合材料在不同的剪切強化下的力學性能。并列舉了兩種常見剪切力學性能測試方法。未來研究中，可以對復合材料中本身材料進行深入研究，并確認材料本身的剪切力學性能強化。同時對材料的失效參數(shù)進行研究。