連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法；包括如下步驟：對連續纖維增強金屬基復合材料進行拉伸或壓縮試驗，獲得所述復合材料的應力-應變曲線；確定該曲線上的折點應力σyc；根據以下方程式確定出復合材料基體的殘余應力σres：其中，σym0為基體的屈服應力，Vf為纖維的體積分數，Vm為基體的體積分數，σf為纖維承擔的應力。本發明可避免相對復雜的拉-壓循環試驗，因此方法相對簡單，可提高殘余應力的測試效率；且可在測試復合材料拉伸和壓縮性能的同時，直接利用拉伸或壓縮應力-應變曲線上的折點應力，求得復合材料中的殘余應力，可使復合材料性能測試和殘余應力測試一步完成。
【專利說明】連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬材料的殘余應力測試方法，具體涉及一種連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法。
【背景技術】
[0002]由于具有優良的力學和物理性能(如高比剛度和比強度、高的拉伸和壓縮性能等)，連續纖維增強金屬基復合材料在航空航天和電力傳輸等領域受到了極大的關注。由于增強體和金屬基體間熱膨脹系數的巨大差異，從制備溫度到室溫的冷卻期間，在該類復合材料中會形成殘余應力，這些殘余應力對金屬基復合材料的性能，如形變、蠕變、尺寸穩定性、斷裂強度和疲勞抗力等，具有重要的影響。因此，需要對復合材料中的殘余應力的大小和狀態進行表征。以往，在表征金屬基復合材料中殘余應力方面開展了很多工作，形成了一些殘余應力的表征技術，包括X射線衍射，中子衍射，激光拉曼光譜，納米壓痕，拉-壓循環試驗法和有限元以及理論模型計算等。在測試方法中，X射線衍射，中子衍射和激光拉曼光譜方法屬于物理測試方法，而納米壓痕和拉-壓循環試驗法屬于力學測試方法。對于X射線和中子衍射方法而言，當復合材料中存在強織構時，可能會產生很大的誤差。相比于X射線法，由于中子具有更大的穿透深度，因此中子衍射可以測量材料內部一定深度的殘余應力。激光拉曼光譜法可以用來測量纖維金屬基復合材料的殘余應力，其原理是:復合材料受力后，隨著拉應力的增加，原子間距增加，原子振動頻率下降；反之在壓縮應力下，原子間距減小，原子振動頻率增加；這種振動頻率的變化可以用激光拉曼光譜測定出來。納米壓痕法是利用納米壓痕儀對材料進行納米硬度試驗，測定純基體和相應復合材料的載荷和位移曲線以及相應的硬度和接觸面積值，然后通過公式分別計算純基體材料和復合材料的應力，兩者的差值即為熱殘余應力，它是復合材料中某個點的基體殘余應力。拉-壓循環試驗法也是用于測定纖維增強金屬基復合材料殘余應力的一種方法:通過做拉伸-壓縮循環試驗測得復合材料循環應力應變曲線，據此，可計算出原位基體應力應變曲線，進而求出基體的殘余應力，它是復合材料中基體的平均殘余應力。有限元以及理論模型計算方法是通過建立有限元模型或解析模型，然后計算出復合材料中的殘余應力，這些計算可以給出復合材料中應力應變分布以及其演變規律的較詳細的信息。
[0003]經對現有技術文獻檢索發現,發表在“Metallurgical Transactions A, 1999, 30:1843-1866” 上的一篇題為 “Plasticity of Continuous Fiber-Reinforced Metals” 的文章。該文描述的方法是一種通過進行拉-壓循環試驗測定纖維增強金屬基復合材料中殘余應力的方法，是一種需要施加循環載荷的力學測定方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于為了避免上述現有拉-壓循環方法必須進行循環試驗的弱點，提供一種連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法；該方法僅依靠單調拉伸或壓縮即可測定纖維增強金屬基復合材料中殘余應力。本發明僅需要進行拉伸或壓縮試驗，不需要進行拉-壓循環試驗，因此方法相對簡單。根據本發明，復合材料中殘余應力可在測定材料的拉伸和壓縮性能的同時，利用拉伸或壓縮應力-應變曲線上的折點，通過簡單的計算得到。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]本發明涉及一種連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法，所述方法包括如下步驟:
[0007]步驟一，對連續纖維增強金屬基復合材料進行拉伸或壓縮試驗，獲得所述復合材料的應力-應變曲線；
[0008]步驟二，確定應力-應變曲線上的折點應力oyc;
[0009]步驟三，根據以下方程式確定出復合材料基體的殘余應力
[0010]
【權利要求】
1.一種連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟一，對連續纖維增強金屬基復合材料進行拉伸或壓縮試驗，獲得所述復合材料的應力-應變曲線； 步驟二，確定應力-應變曲線上的折點應力σ y。； 步驟三，根據以下方程式確定出復合材料基體的殘余應力σ _;
2.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法，其特征在于，步驟一中，所述復合材料中基體的殘余應力為拉伸應力，則需要進行壓縮試驗；所述復合材料中基體的殘余應力為壓縮應力，則需要進行拉伸試驗。
3.根據權利要求1或2所述的連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法，其特征在于，所述拉伸和壓縮試驗施加的應力使復合材料進入塑形變形階段。
4.根據權利要求3所述的連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法，其特征在于，所述拉伸和壓縮試驗以恒定速率0.2mm / min沿纖維方向進行。
5.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法，其特征在于，步驟一中，所述連續纖維增強金屬基復合材料的應變是用Zwick引伸計測定的。
6.根據權利要求1所述的連續纖維增強金屬基復合材料殘余應力單調加載測試方法，其特征在于，步驟二中，所述的折點應力為所述應力-應變曲線由彈性到塑性轉變的轉折點對應的應力。
【文檔編號】G01N3/08GK103884591SQ201410079099
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】張文龍, 戴小亞, 丁冬雁 申請人:上海交通大學
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