（机械制造及其自动化专业论文）激光熔覆颗粒增强复合涂层的力学性能及损伤破坏机理研究.pdf

激光熔覆颗粒增强复合涂层的力学 性能及损伤破坏机理研究 摘要 激光熔覆颗粒增强复合涂层材料，由于其高硬度、耐磨损、耐高温等优越和特殊的性 能，在机械制造、石油化工、核工程、汽车工业、航空航天等恶劣和特殊环境下工作的机 械零件和元件中得到了越来越广泛的应用。然而复合涂层在受到不同形式的载荷作用时， 内部会发生颗粒断裂、颗粒与基体的界面开裂等各种形式的损伤；另外，涂层的微孔洞、 微裂纹等缺陷是激光熔覆过程中很容易出现的一个质量问题，这些缺陷的存在会加剧涂层 的开裂破坏行为，因此需要对激光熔覆复合涂层的力学性能以及损伤机制作进一步深入系 统的研究。 本文以激光熔覆h 1 3 t i c 复合涂层为研究对象，研究了复合涂层的宏观力学性能和 微观损伤机理；借助纳米压痕仪测量复合涂层的微区力学性能，并结合弹塑性有限元方法 计算颗粒的断裂强度；以细观力学理论为基础，结合损伤力学、塑性力学和实验研究结果 等，提出一种颗粒增强复合涂层材料损伤本构模型，以有限元软件a b a q u s 子程序u m a t 为基础，研究分析细观结构对颗粒增强涂层材料力学性能以及损伤破坏的影响。研究工作 为提高复合涂层的强度分析水平以及优化激光熔覆工艺奠定理论和实验上的基础。本文的 主要工作和成果如下： 1 利用合适的激光加工工艺，在模具钢( h 1 3 ) 表面制备h 1 3 t i c 复合涂层。测试 了不同t i c 颗粒体积分数下h 1 3 t i c 复合涂层的力学性能，并结合扫描电镜( s e m ) 分 析复合涂层的微结构演化。结果显示复合涂层在制备过程中产生许多微气孔，涂层的失效 形式以颗粒断裂为主，在拉伸后期出现一些颗粒和基体界面开裂的现象，这对复合涂层的 损伤本构模型提出奠定了实验基础。 2 采用纳米压痕仪，测得复合涂层t i c 颗粒以及h 1 3 基体的弹性模量及硬度，研究 分析了压痕位置与颗粒中心的距离、压入深度以及颗粒形貌对压痕结果的影响。建立颗粒 压痕的有限元模型，结合压痕实验结果，计算t i c 颗粒的断裂强度，实现利用纳米压痕 技术表征陶瓷颗粒断裂强度的测试方法。 3 基于m o r i t a n a k a 均匀场理论，计算分析不同颗粒体积分数下复合涂层的弹塑性性 能。另外，基于w e i b u l l 损伤准则，描述颗粒在拉伸过程中的损伤状态，结合实验数据， 计算w b i b u u 参数。 4 通过耦合g o l o g a n u l e b l o n d d e v a u x ( g l d ) 细观损伤模型与m o r i - t a n a k a ( m t ) 均匀化方法，建立颗粒增强复合涂层材料损伤破坏的分析模型。把涂层制备过程中产生的 微气孔作为损伤模型的初始孔洞，数值模拟分析孔洞形状、尺寸、分布、颗粒密度以及颗 粒损伤等对复合涂层拉伸应力应变曲线以及断裂韧性的影响。最后对模型预测与拉伸实验 结果进行比较，结果表明该模型能很好地描述激光熔覆复合涂层的损伤演化特征。 关键词：激光熔覆复合涂层，力学性能，纳米压痕，损伤破坏，m t 均匀化方法， g l d 细观损伤模型 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd a m a g e m e c h a n i s m o f l a s e r c l a d d i n gn 蝴i c l er e i n f o r c e d c o m p o s i t ec o a t i n g s a b s t r a c t d u et oi t sh i 【g hs t r e n g t h ，h i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea n dg o o dw e a rr e s i s t a n c e ，t h el a s e r c l a d d i n gc o m p o s i t ec o a t i n g sh a sb e e nw i d e l yu s e da sm e c h a n i c a lp a r t sa n dc o m p o n e n t si nt h e s p e c i a la n dh a r s hf i e l ds u c ha sm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g ，p e t r o c h e m i c a l ，n u c l e a re n g i n e e r i n g ， a u t o m o t i v ei n d u s t r y , a e r o s p a c e h o w e v e r ，s o m ek i n dd a m a g e so fc o m p o s i t ec o a t i n g ss u c h p a r t i c l eb r o k e na n dp a r t i c l e m a t r i x i n t e r f a c e d e b o n d i n gw i l l o c c u ru n d e rd i f f e r e n t l o a d i n g c o n d i t i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e f e c t so fc o m p o s i t ec o a t i n g ss u c ha sm i c r o v o i di n t r o d u c e d d u r i n gp r e p a r a t i o nw i l la c c e l e r a t et h ef a i l u r eo f m a t e r i a l f u r t h e ra n dd e e p e rr e s e a r c h e so nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd a m a g em e c h a n i s mo fl a s e rc l a d d i n gc o m p o s i t ec o a t i n g sw e r e n e c e s s a r i l yr e q u i r e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m a c r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o - d a m a g em e c h a n i s mo fl a s e r c l a d d i n gh 13 一t i cc o m p o s i t ec o a t i n g sh a sb e e ns t u d i e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp a r t i c l e a n dm a t r i xp h a s e sa tt h em i c r o s c o p i cs c a l e sw e r em e a s u r e db yn a n o i n d e n t a t i o n t h ep a r t i c l e c r a c k i n gi n d u c e db yn a n o i n d e n t a t i o nw a so b s e r v e da n dt h ec r i t i c a lf r a c t u r es t r e n g t ho fp a r t i c l e w a so b t a i n e db yt h ec o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b a s e do nt h e m i c r o m e c h a n i c s ，e l a s t i c - p l a s t i cm e c h a n i c sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，an e wd a m a g ec o n s t i t u t i v e m o d e lo fc o m p o s i t ec o a t i n g sw a sp r e s e n t e d t h em o d e lw a se m b e d d e di nt h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea b a q u ss u b r o u t i n eu m a t , f o c u s i n go ni n v e s t i g a t i o no fd a m a g ea n df a i l u r e b e h a v i o ro fc o m p o s i t ec o a t i n g s t h er e s e a r c hw o r kw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a l ，n u m e r i c a la n d e x p e r i m e n t a ls u p p o r tf o rt h ep r e p a r a t i o no fl a s e rc l a d d i n gc o m p o s i t ec o a t i n g s t h em a i n w o r k a n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 w i t ha p p r o p r i a t el a s e rp r o c e s s i n g ，t h eh 13 一t i cc o m p o s i t ec o a t i n g sw a sc l a d d e do nt h e h13d i es t e e l t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t ec o a t i n g sc o n t a i n i n gd i f f e r e n tp a r t i c l e v o l u m ew e r eo b t a i n e db yu n i a x i a lt e n s i l ee x p e r i m e n t t h ei n i t i a la n de v o l u t i o nm i c r o s t r u c t u r e o fm a t e r i a la sw e l la sd a m a g em e c h a n i s mw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a t m i c r o - d e f e c t ss u c ha sm i c r o - v o i dw e r ei n t r o d u c e dd u r i n g p r e p a r a t i o n ，p a r t i c l ef r a c t u r e sw a s t h em a i nr e a s o no fc r a c kf o r m a t i o ni nt h ec o m p o s i t ec o a t i n g s ， t h ep a r t i c l e m a t r i xi n t e r f a c ed e b o n d i n ga p p e a r e di nt h el a t e rt e n s i l ee x p e r i m e n t s u c hr e s u l t s p r o v i d e dt h ee x p e r i m e n t a lb a s i so fd a m a g e m o d e l 2 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sh a r d n e s sa n dm o d u l u so ft i cp a r t i c l ea n dh 13m a t r i x w e r em e a s u r e db yn a n o i n d e n t a t i o n i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fd i s t a n c eb e t w e e ni n d e n t a t i o n p o s i t i o na n dp a r t i c l ec e n t e r ，i n d e n t a t i o nd e p t ha n dt h ep a r t i c l em o r p h o l o g yo nt h ei n d e n t a t i o n r e s u l t sw e r ei n v e s t i g a t e d ；t h ec r i t i c a lf r a c t u r es t r e s so ft i cp a r t i c l ew a so b t a i n e db yt h e c o m b i n a t i o no f e x p e r i m e n t a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c h a r a c t e r i z i n g o ft h e s t r e n g t h m e a s u r e m e n to fc e r a m i cp a r t i c l e 3 t h ee l a s t i c - p l a s t i cp r o p e r t i e so fc o m p o s i t ec o a t i n g s 、) l ，i t l ld i f f e r e n tp a r t i c l ev o l u m ew e r e s t u d i e db ym o r i - t a n a k am e a n - f i e l dh o m o g e n i z a t i o ns c h e m e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h ep a r a m e t e r so fw e i b u l ld a m a g e p r i n c i p a l ，w h i c hc h a r a c t e r i z e dt h ed a m a g em o d eo fp a r t i c l e ， w e r eo b t a i n e d 4 c o u p l i n gm o r i t a n a k a ( m - t ) m e a n f i e l d h o m o g e n i z a t i o n s c h e m ew i t ht h e g o l o g a n u - l e b l o n d - d e v a u x ( g l d ) y i e l dc r i t e r i o n ，t h ed a m a g em o d e la c c o u n t i n gf o rt h e e f f e c to fv o i ds h a p e ，v o i ds i z e ，v o i dv o l u m ea n dp a r t i c l ed a m a g eo nt e n s i l eb e h a v i o ro f l a s e r - p r o c e s s e dc o m p o s i t ec o a t i n g sw a sd e v e l o p e d a tl a s t ，t h ep r e d i c t i o nr e s u l t so ft h i sm o d e l w a sc o m p a r e dw i t l le x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h ec o n s i s t e n c ed e m o n s t r a t e dt h a tt h em o d e lw e l l d e s c r i b e dt h ed a m a g ep r o c e s so fl a s e rc l a d d i n gc o m p o s i t ec o a t i n g s k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n gc o m p o s i t ec o a t i n g s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，n a n o i n d e n t a t i o n ， d a m a g eb e h a v i o r , m - tm e a n - f i e l dh o m o g e n i z a t i o ns c h e m e ，g l dd a m a g em o d e l 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着现代工业技术的快速发展，提高机械零件在氧化、腐蚀、高温以及磨损等恶劣和 特殊环境下的使用性能显得日趋迫切和重要【1 1 2 1 。机械设备和零部件的失效形式主要有三 种：断裂、腐蚀和磨损，其中磨损和腐蚀主要发生于零件表面的材料流失，而这些失效大 部分是从表面开始的。例如：企业大量使用的离心机、泵、阀等由于固液两相流介质的冲 刷而磨损破坏，浙江秦山核电集团，几百万元一台进口的海水泵，使用几个月就由于海水 冲刷而磨损破坏。国内外研究和实践表明，这些设备采用表面涂层技术以增强其耐高温、 抗腐蚀以及耐磨损等性能，是一种经济而有效的方法【3 蚓。金属涂层材料具有熔点低、良好 的韧性以及抗腐蚀等性能，但在很多苛刻的环境下耐磨性不能满足要求；纯陶瓷涂层材料 具有耐高温、抗磨损等性能，但其韧性相对较小，在复杂载荷下容易发生脆断、剥落现象。 因此，颗粒增强金属基复合( p a r t i c l er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ，p r m m c ) 涂层就 应运而生了，这种涂层材料克服了单一金属、陶瓷等涂层材料性能上的局限性，是耐磨防 护涂层的未来发展方向1 7 母j 。 颗粒增强复合涂层的制备方式有很多，如电化学、汽相沉积、三束( 电子束、离子束、 激光束) 加工方法等，其中激光熔覆技术是常见的技术之一。将w c 、t i c 、s i c 等硬质陶 瓷颗粒作为增强相，通过激光熔覆等制备工艺将增强颗粒直接弥散于金属基体材料中，从 而获得高致密颗粒增强复合涂层( 简称复合涂层) 。该类涂层较之非颗粒增强涂层具有更 高的显微硬度、强度和良好的耐磨性能等优点及独特的机械。j t 。工4 - 台厅匕v , 。这是目前国内外涂层 材料的研究热点和发展趋势。相比其他常规工艺制备复合涂层如化学沉积、汽相沉积等， 激光熔覆的优势在于复合涂层在熔融状态下与母材表层结合，涂层与母材有一冶金结合过 渡层，结合强度极高，因此该类涂层材料的破坏通常不是发生在涂层与母材的界面，而是 涂层表面或内部颗粒断裂或颗粒与基体界面开裂、形成孔洞并扩展成裂纹而破坏。研究该 类涂层的力学性能以及破坏机理，建立损伤与破坏的分析方法，分析其破坏过程和影响因 素，对于提高颗粒增强涂层强度的分析水平、优化涂层制备工艺、提高涂层材料的强度和 延寿技术等具有重要的理论和工程意义。 1 2 激光熔覆涂层的研究现状 激光熔覆也称激光包覆，是材料表面改性技术的一种重要方法，它通过在基材表面添 加一层金属或复合粉末，利用高能量密度激光束将粉末迅速熔化，然后又快速凝固，在基 材表面形成一层与基材具有不同成分性能的涂层材料。由于该过程是个急速熔化以及冷却 的过程，极大地细化了材料的晶体，因此熔覆层具有极高的硬度和耐磨性。激光熔覆后， 熔覆层与基材表面形成了一层冶金结合的过渡层，结合性能非常优赳1 0 ，1 1 】。与常规制备涂 层( 化学物理气相沉积、热喷涂以及等离子溅射等) 相比，激光熔覆具有制备周期短、实 验操作方便、涂层界面强度高等优点；但也存在明显缺点如熔覆层表面粗糙度大、涂层成 分难以确定以及设备昂贵、工艺复杂等。 对于激光熔覆试验的研究开始于上世纪八十年代，g n a n a m u t h u 1 2 】获得了熔覆方法的专 利。经过三十多年的快速发展，激光熔覆技术在石油化工、核工程、汽车工业以及航空航 天等领域得到了越来越广泛的应用。目前国内外对激光熔覆试验的研究主要集中在加工工 艺、材料成分配置、涂层开裂以及抗磨损腐蚀等方面。激光功率、光斑直径、扫描速率， 这三个因素是决定激光能量大小的主要参数，也是目前对熔覆层质量影响开展研究最多的 课题，如汤光平14 1 、宋仁国以及w a n g 等人【1 6 1 的研究。一般而言，激光熔覆技术常采 用的材料主要有自熔性合金粉末、氧化物陶瓷粉末以及复合粉末。自熔性粉末具有自脱氧 性能和自造渣性能包括铁基、镍基以及钴基自熔性粉末，三种粉末都具有都具有优异的耐 磨、抗氧化和抗腐蚀等性能【1 7 ，1 8 】。陶瓷材料主要有w c 、t i c 、s i c 等硬质陶瓷颗粒，具有 耐高温、耐磨损等性能【1 9 之。在熔覆过程中，常采用惰性气体如氩气、氖气等作为保护气 体。随着材料使用环境越来越苛刻，对熔覆层材料性能要求也越来越高。一些构件不仅要 求有比较好的耐磨性、抗氧化性，而且要保证熔覆层具有比较高断裂强度。在激光熔覆过 程中，涂层内部很容易出现一些微缺陷如微孔洞、微裂纹等，在复杂载荷作用下，这些微 缺陷会加速裂纹扩展并形成宏观裂纹，有些熔覆层甚至在制备过程中就出现直接开裂等现 象，所以减少微孔洞、微裂纹对提高熔覆层的质量有很大的作用。l i 等人【2 2 j 对激光熔覆 w - c u 复合涂层的微缺陷做了定量的分析，指出随着激光扫描速度的增加，熔覆层相对密 度不断下降，如图1 1 所示。目前，很多研究小组提出通过改变增强颗粒分布、改进工艺 参数以及加入适量的合金元素来提高熔覆层的质量【2 3 , 2 4 】。 浙江工业大学博士学位论文 = 一 ( a ) 熔覆层截面s e m 形貌图 ( b ) 相对密度与扫描速度的关系 图1 1 激光熔覆w - c u 涂层微缺陷分析【2 2 】 1 3 激光熔覆颗粒增强复合涂层的力学性能实验研究 1 3 1激光熔覆涂层的宏观力学性能实验研究 目前，针对涂层的力学性能测试，主要有简单应力状态试验如单轴拉伸与压缩以及复 杂应力状态的接触试验如硬度测试。 由于实际涂层的厚度很小，很难直接在其上面取样测试其应力应变曲线。最常用的方 法是制备相对较厚的涂层，加工成板状试样，进行单轴拉伸试验。l i u 等人【2 5 j 最早做了镍 合金熔覆层的拉伸试验，测得材料的屈服应力约为3 5 m p a 4 0 m p a ，另外他发现塑性滑移带 方向垂直与激光熔覆方向。m a z u m d e r 等【2 6 】对激光熔覆h 1 3 钢进行拉伸试验，结果显示随着 激光的能量不断增大，其屈服强度提高，但断裂韧性与抗拉强度相对减小。c h a i 等人【27 j 指 出激光熔覆后，材料硬度虽然有一定的提高，然而屈服强度以及断裂韧性都会降低。一方 面，材料在激光熔覆过程中熔入了有害元素如氧、氮等元素，使材料变脆。另外，熔覆层 内部难免会出现微气孔，微裂纹等缺陷，导致屈服强度与断裂韧性下降。g u 等人【2 副研究了 激光堆焊铜基颗粒增强复合材料的断裂强度，结果显示气孔相对密度与颗粒的质量分数呈 正态的分布，气孔含量越高，其断裂强度越小。v r e e l i n g 等t 2 9 】采用拉伸试验，结合扫描电 镜观察激光熔覆a 1 s i c 复合材料裂纹形成、扩展过程，结果表明材料的失效机制由颗粒断 裂和颗粒与基体界面开裂两种形式组成，颗粒断裂是主要的失效形式，如图l 一2 所示。l i u 等3 0 , 3 1 】对激光熔覆t i t i c 复合涂层做了相关的力学- 蚪台i - j 匕卜e , 卧。及高温蠕变断裂性能的研究。 根据i s 0 1 4 5 7 7 3 2 】对施加载荷p 和压入深入h 的范围划分，可以将硬度分成：宏观硬度， 1 浙江工业大学博士学位论文 一 2 n p 3 0 k n ；显微硬度，p 0 2l x m ；纳米硬度，h 0 2p , m 。目前，很多研 究团队都以显微硬度来评价熔覆层的力学性能。如郭绍义等口0 1 对激光熔覆n i t i c 复合涂层 的组织和硬度进行了研究，他指出增强颗粒t i c 的加入细化了晶体，提高了涂层的硬度， 当t i c 颗粒的质量分数达到3 0 时，复合涂层的平均显微硬度 1 5 0 0 h v 。c u i 等【3 3 】报导了激 光熔覆f e t i c 复合涂层的显微硬度为5 9 5 h r c 。然而对激光熔覆涂层的纳米硬度研究报导 比较少。 ( a ) s i c 颗粒断裂( b ) s i c 颗粒与a l 基体界面开裂 图1 2 激光a i s i c 复合材料拉伸过程中两种不同的失效形式2 9 1 1 3 2 激光熔覆颗粒增强复合涂层的微区力学性能测量 针对材料微区的力学性能的测量，主要有原子力显微镜探针接触法以及纳米压痕方法 p 4 ，”j 。两种测量方法在原理上是一致的，都是利用较硬物体即压针以一定压力接触被测材 料表面，通过高精度以及高分辨率的仪器来连续记录加卸载过程中的载荷和深度曲线，进 一步地拟合曲线得到所测材料产生的压入深度、接触面积以及接触刚度，从而计算材料的 弹性模量和硬度等。但其应用范围不同，原子力显微镜载荷分辨较高，压针尖端曲率半径 一般为1 0 n m 左右，主要优势在于能够测量接触刚度以及形状尺寸小的纳米材料，如碳纳米 管1 3 6 1 、生物细胞【3 7 1 等。而纳米压痕压针的尖端曲率半径约为l o o n m ，适用范围比较广泛， 如块状金属、薄膜材料等【3 8 】。目前商业上的纳米压痕仪，都带原位扫描的功能，跟原子力 显微镜的工作原理一致，不仅可以测量压痕前后样品表面形貌，而且还可以准确提供样品 测试位置。这里主要介绍纳米压痕测量方法。 激光熔覆颗粒增强复合涂层属于金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，m m c s ) ， 包括弥散的形状比率低的硬质颗粒和连续的韧性金属基体，其微区力学性能主要包括组分 4 浙江工业大学博士学位论文 二二二二一 ( 颗粒与基体) 的力学性能以及颗粒与基体的界面强度。 ( 1 ) 纳米压痕测试复合材料的组分力学性能 颗粒增强复合材料是由颗粒与基体相组成的复合系统，因此采用纳米压痕测量组分的 力学性能会受到复合系统的影响。d u r s t 等【3 9 】建立了颗粒压痕的有限元模型，主要用来研究 颗粒形状比对颗粒压痕结果的影响。该模型分别将立方形和圆柱形两种不同形状的颗粒嵌 入基体内部，考虑压痕过程中水平边界( h o r i z o n t a lb o u n d a r i e s ) 以及垂直边界( v e r t i c a l b o u n d a r i e s ) 的影响，如图1 3 所示，水平边界与材料表面平行，极限条件下与薄膜基材系 统相类似，而垂直边界垂直于表面，类似于纤维基体系统。该研究工作对测量复合材料组 分力学性能具有重要的参考意义。 前面 v e r t i c a lb o u n d a r i e sh o r i z o n t a lb o u n d a r i e s ( a ) ( b ) ( c ) 图1 3d u r s t 颗粒压痕的有限元模型3 9 】 对于颗粒压痕，水平边界影响因素主要包括基体的性能以及颗粒宽度。压痕所产生的 应力作用区域是个半球形状，这个区域内应力应变关系由材料的属性决定。当该作用区域 尺寸超过颗粒宽度时，纳米压痕测得的力学性能是颗粒与基体的复合性能。另一方面，压 痕中接触面积是通过接触半径计算得到，当颗粒的最大宽度小于压头的接触直径时，压痕 结果会产生一定的误差。垂直边界影响因素主要包括基体性能与颗粒的长度。颗粒的长度 一般由颗粒的高度以及埋藏深度两部分组成，颗粒的高度即颗粒表面最高处到基体水平面 的垂直距离，可以利用原位扫描准确测得，而颗粒的埋藏深度往往都是未知的。颗粒的长 度越大，就越接近纤维基体系统，因此压痕误差越小。对于基体的压痕，水平边界影响因 素主要包括相邻颗粒的性能以及颗粒的宽度。而垂直边界影响因素主要为颗粒性能以及颗 粒与基体表面的距离。在复合材料的组分力学性能测量巾，水平边界以及垂直边界同时会 气 塑垩三些奎堂堕主堂垡笙茎 _ 一 对压痕的结果造成影响。鼬m 等h 0 1 建立了单个颗粒深埋基体内部的压痕模型，通过有限元 方法计算分析颗粒形状以及颗粒至基体表面的距离对压痕结果的影响。结果发现，颗粒的 尺寸以及颗粒至基体表面的距离越大，其压痕接触刚度越大。h r y h a 套享【4 1 】采用纳米压痕仪 测量了金属粉末颗粒的力学性能，并考虑压入深度对压痕结果的影响。v a n d a m m e - 等【4 刁采 用纳米压痕仪，以一定的压痕间距对复合材料的组分性能进行大量的测试，并分析压入深 度对压痕结果的影响，该方法不仅考虑了水平边界的影响，而且一定程度上反映了纳米压 痕过程中垂直边界的影响。 ( 2 ) 纳米压痕测试复合材料颗粒与基体的界面结合强度 增强颗粒与基体之间彼此通过化学或物理结合的，能够传递载荷的区域称为界面。界 面是复合材料中极为重要的微结构，主要有传递载荷、抑制裂纹扩展作用。利用纳米压痕 测量界面强度是最近几年发展起来的新型测试方法。 嚣蔼 图1 4x i a 测量界面强度模型【4 3 1 x i a 等m j 假设基体发生弹塑性变形，颗粒只发生弹性变形，采用纳米压痕实验结合有限 元分析测量s i 颗粒与a l 基体的界面强度，其模型如图1 - 4 所示。具体过程为：采用纳米 压痕仪测得基体与颗粒的弹性模量；利用原位扫描测量颗粒的高度即颗粒最高处与基体表 面的垂直距离；埋藏深度通过不断腐蚀的方式得到；假设不考虑界面开裂，基体的塑性性 能就可以通过无量纲的方法求得；最后在界面处埋入c o h e s i v e 单元，通过有限元方法与压 痕实验结果的相互比较来计算界面强度。采用纳米压痕来测量界面强度，必须满足两个条 件：( 1 ) 颗粒与基体界面强度足够小，以至于在界面会发生坍塌现象：( 2 ) 颗粒的断裂强 度足够大，在压痕过程中颗粒不会发生断裂。一般尖的压头会在颗粒表面产生较大的应力 6 浙江工业大学博士学位论文 集中，造成脆性断裂，如b e s t e r c i 等人畔1 的研究，因此在压痕实验中一般采用钝形如球形 压头。d e s a e g e r 和v e r p o s t h 5 】以及杨等【4 6 1 也采用纳米压痕对界面强度做了相关的研究。这 些工作对本文的颗粒断裂强度测量有很重要的参考意义。 1 4 颗粒增强复合材料细观力学研究现状 刚度和强度性能是颗粒增强复合材料力学上的两个基本问题。从颗粒增强材料本身来 说，它是一种多相材料，具有强烈的结构特征，其力学性能和失效机制都与组分相的性能、 增强相的形状、分布以及增强相与基体之间的界面特性等细观特征密切相关。复合材料的 细观力学其核心任务建立复合材料宏观性能同组分性能及其细观结构之间的定量关系，并 揭示复合材料在一定工况下的响应规律及其本质。 1 4 1 颗粒增强复合材料的有效性能 颗粒增强复合材料的刚度( 又称有效性能) 表征了材料宏观力学性能。复合材料有效 性能预测始于上世纪六十年代，大量的细观理论是建立在e s h e l b y l 4 7 1 - 于1 9 5 7 年提出的“本 征等效应变 基础上。六十年代后期，h i l l 4 8 】发表了关于复合材料的有效性能计算问题， 他的研列4 9 1 对自洽理论酬的提出有很大的影响。与此同时，h s h i n 等【5 1 ，5 2 】采用变分方法研 究应变能的极值条件，得到复合材料的有效性能的上、下限。b u d i a n s k y 等【5 3 j 使用能量的 方法来预测多相复合材料的性能。l e v i n t 5 4 】提出一种“精确积分”方法对复合材料的热力学 性能进行计算，他的研究对细观力学发展具有重要作用。七十年代，在变分原理、自洽方 法以及本征等效应变的基础上，大量的研究团队开始探索更复杂的模型来预测复合材料的 有效性能，其中典型的有自洽模型【5 5 1 、m o r i t a n a k a ( m t ) 均匀场理论【5 q 以及偏微分方法 【5 7 】。八十年代，由于航空、汽车等制造领域的需求，三种不同的理论被用来预测复合材料 的非线性性能：( 1 ) 变分方法；( 2 ) 基于“本征等效应变”的均匀场理论( 或均匀化方法) ， 这类方法包括m t 均匀场理论以及自洽理论，其主要思路是对复合材料的局部变量进行平 均化处理；( 3 ) 周期结构分布的单胞元，该方法对复合材料的微结构进行周期性的建模， 采用所谓“单胞( u n i tc e l l ) ”作为代表体积元，局部变量用解析或数值方法来求解，如有 限元【5 8 】或傅立叶变换嗍等。三种方法在计算特定问题的时候发挥了各自的优势。变分方法 常被用来预测复合材料有效性能的上下限，不足之处在于不能精确地得到解析解。均匀场 方法给出了复合材料内部各相的平均性能，忽略了材料局部性能。相对于均匀场理论，周 期结构分布的单胞元方法能够估算材料局部变量，但现实材料的细观结构非常复杂，导致 7 浙江工业大学博士学位论文 其计算量大，且估算会出现一定错误。之后，经过二十多年的发展，细观理论预测复合材 料刚度问题已经比较成熟，并出现了一些修正模型。杨庆生、陈浩然等人【6 0 ，6 1 】将自洽模型 和广义自洽模型与有限元法相结合发展了自洽有限元法和广义自洽有限元法，用于计算复 合材料平均弹性模量等宏观性能。c h e n g 等【6 2 】利用m o r i - - t a n a k a 方法的显式解提出了一 种获得纤维局部应力解的简便方法。g h o s h 和m u k h o p a d h y a y 6 3 1 提出了采用v o r o n o i 单胞元 有限元的方法来计算复合材料的宏观弹塑性性能。 1 4 2 颗粒增强复合材料的损伤破坏 颗粒增强复合材料的损伤破坏过程包括孔洞成核( 颗粒断裂或颗粒与界面的开裂) ， 孔洞扩展以及孔洞汇聚三个阶段，如图1 5 所示。 ( 丑) 初始状奁c b ) 空洞成核 ( c ) 空洞扩展 c d ) 空洞朝：聚 图1 5 颗粒增强复合材料损伤破坏过程 目前，对材料损伤破坏的研究主要有两种方法：宏观损伤力学和细观损伤力学方法。 宏观损伤力学是一种唯象学方法，它采用热力学与连续介质力学相结合的方法来研究讨论 微观缺陷对材料的宏观力学性能和应力分布的影响以及微观缺陷的演化规律，用来分析结 构破坏的整个过程。细观损伤力学首先对损伤基元如微裂纹、微空洞以等进行周期性建模， 然后根据损伤单元的扩展和演化，寻求材料的变形过程中宏观性能与微观损伤变量之间的 相互关系。实际材料都一般存在夹杂物或第二相粒子，在材料形变过程中，这些夹杂物开 一 浙江工业大学博士学位论文 一 始断裂或夹杂物与基体之间界面开裂，导致损伤萌生、发展和演化过程，导致材料的结构 成非均质性，也非连续性。因此经典的连续介质力学对材料均质性和不可压缩性能的假设 往往不能成立。细观损伤力学采用损伤参量明晰的物理含量，对材料的细观模型赋予了损 伤形象的几何结构和物理意义，更接近材料损伤破坏过程的本质，因此更容易使人们接受 和理解。用细观损伤力学结构代表元描述损伤演化过程可以直接应用于现实材料的破坏行 为，然而由于材料的损伤破坏是个非常复杂的过程，多种损伤元的相互并存以及作用，导 致人们很难利用单一模型捕捉其真实演化以及破坏过程，因此需要更进一步地对细观损伤 力学进行研究和探索。 目前，复合材料细观损伤力学一般建立在材料代表元力学平均化方法上，在用均质化 连续介质材料代替异质材料的同时，引入损伤参量来表征材料损伤破坏的演化过程。19 7 7 年g u r s o n 【6 4 提出了一个理想塑性材料内孔洞损伤分析的屈服函数，即g u r s o n 模型。随后， t v e r g a a r d 和n e e d l e m a n 6 5 1 考虑孔洞之间相互作用的影响，对该模型进行了修正，得到了目 前普遍认可和广泛应用的g t n 模型( 屈服函数) 。该模型以孔洞体积分数厂作为内部损伤参 量，反映了异质材料孔洞萌生和扩展以及聚合三个复杂的韧性破坏过程。对于孔洞萌生阶 段，由于其复杂的随机性以及难以预测颗粒的应力状态，至今还是个难题。大量的实验表 明，复合材料的孔洞成核是通过二个不同的机制形成：颗粒断裂或颗粒与基体的界面开裂 6 6 , 6 7 】。颗粒的断裂，是由于临界的最大主应力超过了其颗粒内部微裂纹扩展所需的临界应 力，造成了脆性断裂【6 引。而界面开裂机制是由于颗粒周围基体的位错堆积引起的弹塑性破 裂【6 9 1 。对于孔洞扩展与聚合阶段，大都以代表元结合有限元分析的思想为基础。g u r s o n 模 型最大的优势是能够反映不同三轴应力下的空洞扩展以至汇聚对复合材料的宏观力学性 能影响，然而当颗粒体积分数超过一定含量的时候，g u r s o n 模型并不适用。一些研究团队 采用细观均匀场理论来预测颗粒增强复合材料的损伤破坏行为。c h o 7 0 】以及f i t o u s s i 等7 l 】 利用m o i l t a n a k a 均匀化方法计算复合材料的单轴拉伸应力应变曲线，其颗粒破坏率服从 w e i b u l l 概率分布，但是该模型并未考虑颗粒破坏后应力重新分布的问题。b r o c k e n b r o u g h 和z o k1 7 2 】把复合材料表示成由基体包围损伤颗粒和未损伤颗粒的二相材料，其中每一相都 由周期分布的代表元构成，这样宏观性能就可以根据有限元方法计算二相复合材料性能得 到，这个模型成功预测了一些复合材料的拉伸行为【7 3 ，7 4 1 。l l o r c a 和g o n z f i l e z 7 5 1 考虑颗粒形 状和分布的效应，利用自洽模型来预测复合材料的损伤破坏行为。d v o r a k 和z h a n g u 6 1 利用 本征等效应变方法将由颗粒与界面开裂造成的应力分布等效成复合材料的残余应力分布， 然后结合交换场分析( t r a n s f o r m a t i o nf i e l da n a l y s i s t f a ) 方法来预测颗粒增强复合材料 q 浙江工业大学博士学位论文 一 的单轴拉伸性能。g h o s h 和m o o r t h y 7 7 1 认为颗粒、破坏的颗粒以及基体组成了三相复合材 料，采用v o r o n o i 单胞有限元计算预测其损伤破坏过程，但该方法现仅限于二维平面。另 外，一些研究团队对复合材料细观结构进行周期性单胞元建模，利用有限元的方法结合颗 粒损伤准则来描述颗粒增强复合材料的损伤破坏行为。c u r t i n 等7 8 1 采用基于三维格林函数 的蒙特卡罗技术对随机分布的颗粒进行三维单胞元建模，然后利用有限元分析方法来计算 复合材料拉伸应力应变曲线。b 0 h m 等7 明以及s e g u r a d o 和l l o r c a 8 0 1 考虑了颗粒分布和方向 效应，同样采用该方法来预测复合材料的损伤破坏行为。 均匀化方法一般以颗粒的体积分数作为损伤变量，其优势在于能够计算出复合材料组 分相的平均应力应变以及宏观性能，但未能很好的反映材料损伤演变过程如材料的孔洞扩 展以及汇聚阶段，而g u r s o n 模型刚好弥补了这一点，目前多层次细观损伤力学的提出完善 了在这方面的局限性，成功预测了颗粒增强材料损伤破坏过程。g h o s h 掣8 1 】根据复合材料 真实的细观结构进行v o r o n o i 单胞元建模，利用有限元方法计算材料的宏观弹塑性性能， 然后耦合g t n 损伤模型，以孔洞体积分数厂作为损伤内变量来模拟复合材料损伤失效过 程。此方法不仅考虑了由颗粒分布不均匀而引起的宏观塑性势的各向异性，而且在损伤阶 段偶合了非局部理论，充分考虑了尺度效应。l e e 和p y o 【8 2 1 提出了多尺度的细观损伤力学 模型来预测颗粒增强材料在拉伸过程中的界面开裂问题。t e k o g l u 和p a r d o e