连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法；包括如下步骤：对连续纤维增强金属基复合材料进行拉伸或压缩试验，获得所述复合材料的应力-应变曲线；确定该曲线上的折点应力σyc；根据以下方程式确定出复合材料基体的残余应力σres：其中，σym0为基体的屈服应力，Vf为纤维的体积分数，Vm为基体的体积分数，σf为纤维承担的应力。本发明可避免相对复杂的拉-压循环试验，因此方法相对简单，可提高残余应力的测试效率；且可在测试复合材料拉伸和压缩性能的同时，直接利用拉伸或压缩应力-应变曲线上的折点应力，求得复合材料中的残余应力，可使复合材料性能测试和残余应力测试一步完成。
【专利说明】连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料的残余应力测试方法，具体涉及一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法。
【背景技术】
[0002]由于具有优良的力学和物理性能(如高比刚度和比强度、高的拉伸和压缩性能等)，连续纤维增强金属基复合材料在航空航天和电力传输等领域受到了极大的关注。由于增强体和金属基体间热膨胀系数的巨大差异，从制备温度到室温的冷却期间，在该类复合材料中会形成残余应力，这些残余应力对金属基复合材料的性能，如形变、蠕变、尺寸稳定性、断裂强度和疲劳抗力等，具有重要的影响。因此，需要对复合材料中的残余应力的大小和状态进行表征。以往，在表征金属基复合材料中残余应力方面开展了很多工作，形成了一些残余应力的表征技术，包括X射线衍射，中子衍射，激光拉曼光谱，纳米压痕，拉-压循环试验法和有限元以及理论模型计算等。在测试方法中，X射线衍射，中子衍射和激光拉曼光谱方法属于物理测试方法，而纳米压痕和拉-压循环试验法属于力学测试方法。对于X射线和中子衍射方法而言，当复合材料中存在强织构时，可能会产生很大的误差。相比于X射线法，由于中子具有更大的穿透深度，因此中子衍射可以测量材料内部一定深度的残余应力。激光拉曼光谱法可以用来测量纤维金属基复合材料的残余应力，其原理是:复合材料受力后，随着拉应力的增加，原子间距增加，原子振动频率下降；反之在压缩应力下，原子间距减小，原子振动频率增加；这种振动频率的变化可以用激光拉曼光谱测定出来。纳米压痕法是利用纳米压痕仪对材料进行纳米硬度试验，测定纯基体和相应复合材料的载荷和位移曲线以及相应的硬度和接触面积值，然后通过公式分别计算纯基体材料和复合材料的应力，两者的差值即为热残余应力，它是复合材料中某个点的基体残余应力。拉-压循环试验法也是用于测定纤维增强金属基复合材料残余应力的一种方法:通过做拉伸-压缩循环试验测得复合材料循环应力应变曲线，据此，可计算出原位基体应力应变曲线，进而求出基体的残余应力，它是复合材料中基体的平均残余应力。有限元以及理论模型计算方法是通过建立有限元模型或解析模型，然后计算出复合材料中的残余应力，这些计算可以给出复合材料中应力应变分布以及其演变规律的较详细的信息。
[0003]经对现有技术文献检索发现,发表在“Metallurgical Transactions A, 1999, 30:1843-1866” 上的一篇题为 “Plasticity of Continuous Fiber-Reinforced Metals” 的文章。该文描述的方法是一种通过进行拉-压循环试验测定纤维增强金属基复合材料中残余应力的方法，是一种需要施加循环载荷的力学测定方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于为了避免上述现有拉-压循环方法必须进行循环试验的弱点，提供一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法；该方法仅依靠单调拉伸或压缩即可测定纤维增强金属基复合材料中残余应力。本发明仅需要进行拉伸或压缩试验，不需要进行拉-压循环试验，因此方法相对简单。根据本发明，复合材料中残余应力可在测定材料的拉伸和压缩性能的同时，利用拉伸或压缩应力-应变曲线上的折点，通过简单的计算得到。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]本发明涉及一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，所述方法包括如下步骤:
[0007]步骤一，对连续纤维增强金属基复合材料进行拉伸或压缩试验，获得所述复合材料的应力-应变曲线；
[0008]步骤二，确定应力-应变曲线上的折点应力oyc;
[0009]步骤三，根据以下方程式确定出复合材料基体的残余应力
[0010]
【权利要求】
1.一种连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤一，对连续纤维增强金属基复合材料进行拉伸或压缩试验，获得所述复合材料的应力-应变曲线； 步骤二，确定应力-应变曲线上的折点应力σ y。； 步骤三，根据以下方程式确定出复合材料基体的残余应力σ _;
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，其特征在于，步骤一中，所述复合材料中基体的残余应力为拉伸应力，则需要进行压缩试验；所述复合材料中基体的残余应力为压缩应力，则需要进行拉伸试验。
3.根据权利要求1或2所述的连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，其特征在于，所述拉伸和压缩试验施加的应力使复合材料进入塑形变形阶段。
4.根据权利要求3所述的连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，其特征在于，所述拉伸和压缩试验以恒定速率0.2mm / min沿纤维方向进行。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，其特征在于，步骤一中，所述连续纤维增强金属基复合材料的应变是用Zwick引伸计测定的。
6.根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法，其特征在于，步骤二中，所述的折点应力为所述应力-应变曲线由弹性到塑性转变的转折点对应的应力。
【文档编号】G01N3/08GK103884591SQ201410079099
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】张文龙, 戴小亚, 丁冬雁 申请人:上海交通大学