金属复合材料剪切力学性能及测试方法探讨

王丽娟

（郑州工业应用技术学院，河南 郑州 451150）

金属复合材料应用在重要领域，而在使用中遇到强烈冲击后，多数工程材料的力学性能在受冲击时准静态加载条件不同[1]。而材料的静态加载条件下的损伤，主要由于在微观尺度下的缺陷以及界面上的应力集中而导致的[2]。而近些年中，国内外的学者对金属材料的剪切力学行为进行了较多的研究，但对于材料的剪切力学性能的研究采用不同结构的剪切试样，结合剪切区的应力应变情况来对剪应力的剪应变定量计算存在多种问题，仍需进一步研究。而对金属复合材料来说，为了提高抗剪切力，往往会在材料中添加其他材料颗粒来进行提高，但是对不同金属材料来说，材料颗粒种类的选择会对增强效果有着较高的影响，而对该方面的研究仍不足[3]。

1 金属复合材料剪切力学性能研究

1.1 金属复合材料陶瓷增强极限强度

本文研究的金属复合材料为：Al2O3p/2024、SiCp/2024、SiCp/7075、SiCp/Al。在该四种材料中均添加了陶瓷颗粒来进行强化。在对这四种材料进行极限拉伸强度测试结果如下。（图1）

在图1中，金属一为SiCp/Al，金属二为SiCp/2024，金属三为Al2O3p/2024，金属四为SiCp/7075。其中SiCp/2024的复合材料具有较高的强化效率，而材料中SiCp/7075虽然增强颗粒的含量较高，但复合材料的强度却出现了降低的情况，而Al2O3p/2024金属复合材料的强度出现的增强情况较低，而使用的陶瓷颗粒的含量提高至25%以上后，该金属复合材料的强度开始下降，在进行基体性能推测时SiCp/7075复合材料的增强物的含量对比其他体系存在更高的强度。而根据相关研究的结论，在使用陶瓷颗粒来对金属复合材料进行增强时，颗粒在金属材料中的塑性流变呈现出不均匀性，而流变量在金属离子的尖角附近时为最大。因此陶瓷材料对金属复合材料的强化时出现加工应变后造成的应变转移可能会对界面裂纹推迟萌生，并起到增强的作用。而在实际的研究中发现，7075合金中添加陶瓷颗粒进行增强时，形变硬化的提升情况低于2024合金，也造成了SiCp/7075复合材料出现增强效应差的问题。而在使用陶瓷来对金属复合材料的力学性能进行增强的研究中，根据陶瓷增强体的角度来分析，在陶瓷颗粒中的碳化硅颗粒以及氧化铝颗粒在对同样的金属材料的相容性差别较大，碳化硅颗粒的润湿性要优于氧化铝颗粒。而经过研究发现Al2O3p/2024材料在进行陶瓷颗粒增强时，所添加的陶瓷颗粒含量较低时表现出的增强效果越好，当含量大于5%时，则强度开始出现下降。

图1 陶瓷增强颗粒含量对不同复合材料的影响

1.2 TiAl金属间化合物强化

为了验证金属复合材料的剪切力学性能的强化特征，选择使用TiAl金属间化合物来进行复合金属材料强化。本文对其进行研究中，使用原料为Ti粉，Ti粉的粒度<56µm纯度为99.7%。Al分的粒度<60µm，纯度为99.3%。在使用TiAl金属间化合物来进行复合材料强化时，上述的四种金属复合材料均出现了弥散强化现象。在TiAl金属间化合物的作用下，金属复合材料在第二相中以细小的弥散微粒分布在基体相中，并出现较为显著的强化作用，其中SiCp/Al材料受影响最大，在增强相上TiAl中的出现原位反应并产生相微粒，而相微粒反应生成后，不会与基体相中产生化学反应，从而实现位错理论中的弥散强化理论。而在检测材料的剪切力时，材料随着外力的增大，位错线的受阻部分弯曲不断加大，而围绕在金属复合材料间的离子位错线相遇，使颗粒周围出现一个位错环，而这也就导致了在位错线上剩余粒子继续向前运动。同时经由弥散强化后的金属复合材料会在外界的剪切应力下构成障碍，其障碍作用较强，使受强化的复合材料的强度得到提高。但在实际测试时，发现经过弥散强化后材料的抗剪切力虽然得到了增强，但是材料受到拉应力时易出现裂纹，而情况也在SiCp/Al材料中最明显。

1.3 化学镀对金属复合材料的剪切力学影响

化学镀方法是在金属的基膜上表面中镀上金属铂，对金属复合材料的基膜表面粗化后进入溶液中来实现粒子交换，然后使用硼氢化钠来还原金属铂原子，实现金属复合材料的化学镀强化。化学镀后，在金属复合材料上出现了Pt性IPMC表面，而离子交换膜基体属于簇状结构，同时因还原反应时间长，形成了Pt原子颗粒团，厚度在6−23µm左右，同时经过镀层金属层的膜内延伸，导致镀层金属的表面在一定程度上降低了还原反应的效率。而在经过动态力学测试后，发现经过化学镀的金属复合材料在受到剪切力的影响下Pt颗粒在应力作用下对复合金属材料进行了填充，同时基膜的力学性能复模较好。而四种金属复合材料中，化学镀的力学强化性能相仿。而在阶梯层的组成时，由于基膜和颗粒充填复合物混合，在厚度方向上，存在不同的混合比例，导致金属复合材料的抗拉伸力在材料上的不同区域结果不同。就抗剪切力上，四种材料均获得较好的增强。

1.4 铝基复合材料动态力学分析

在上述材料中受到SiC颗粒的增强的复合材料为SiCp/2024、SiCp/7075、SiCAl。而颗粒尺寸与界面对铝基复合材料的动态力学性能将会产生影响，导致粒径较小的材料表现出了较高的流变应力。而大颗粒的金属复合材料在受到应力影响后，容易出现微裂纹，同时经过观测，发现在出现微裂纹时，界面时裂纹扩展的位置，同时容易出现材料失效的情况。而上文中Al2O3p/2024采用的Al2O3颗粒将会在一定程度上对金属复合材料实现增强，同时对基体来说将会形成应变率效应。在经过Al2O3颗粒强化后的金属复合材料中，应变率将会跟着流变应力提升而提升，同时因应变率效应，导致材料在应变率较高的情况下容易出现脆性断裂，同时颗粒的含量过高时，容易产生剪切破坏。而SiC颗粒中的晶须时金属复合材料在切变中提高了流变应力，纤维在受到动态冲击下，仍能保持较好的抗冲击性。

2 金属复合材料剪切力学性能测试方法探讨

2.1 金属材料准静态压剪MTS加载

目前国内外较多学者在对金属材料进行剪切力学性能测试时，常常使用帽形试样以及双剪切试样的测试方法来进行测试。而金属材料的准静态压剪测试往往在MTS电子试验机上进行，在测试中，MTS机的上压头经过液压驱动下进行，同时该材料试验机中安装了数据采集设备，在进行测验时，可以通过对压头位移变化、加载压力等参数进行记录。同时通过对该试验机加载速率的调整，可以记录下在不同的应变率下材料受到压力后的位移曲线，同时压力会保持均匀连续加载下，将试样破坏并保持在预先设定的最大位移后终止。而在使用MTS材料试验机加载时为了满足测试时的特点，往往采用片式形状的准静态夹持装置来对被测试材料进行夹持，该装置采用高强度钢进行加工，同时刻制着两个双剪切试样来支撑被测材料。在进行测试时试样支撑放在通槽内，而刻槽避免了被测材料的横向运动，通过这种夹持方法来减少试样的弯曲。同时剪切区中的变形状态为简单剪切。但采用帽形试样时，材料的内部应力难以均匀分布，影响测试的准确。

2.2 SHPB单脉冲加载技术

为了实现对材料的剪切区的观测，往往使用SHPB技术来进行加载双剪切试样。在使用SHPB技术来对材料中的应变率的力学性能进行检测时，应力杆上传播出的应力波可以进行应力加载，同时传播信息通过设备进行记录，可以得出压杆和被测金属材料上的应力以及位移关系，确认被测材料的应力、应变关系。而由于反射拉伸波会进入射杆同时对撞击端造成压缩波的反射，因此在入射杆的加载端，产生压缩波，容易使回馈到的受载情况和数据记录中的曲线不同，因此来射杆前，添加可以跟随到的拉伸波，并在入射杆中的添加传递法兰，同时与质量块上进行连接。而SHPB测试技术，通过应力波来进行假定，由压杆的变形保持平面，并在平面上分布均匀的轴向应力，同时要求压杆的直径保持较小，降低横向惯性效应。同时应力应变在均匀性下，应力波在试样中反射，导致应力应变会逐渐均匀化，同时内应力会随着长度方向分布。在使用SHPB技术时，不需考虑压杆以及被测金属材料上的摩擦效应，同时加工时的表面不光滑程度受到压杆以及被测金属材料的横向变形的不均匀性。同时在被测金属复合材料中，添加一个加载端以及两个支撑端，在两处相同的剪切区域中，剪切尺寸会随着材料的不同应力以及应变状态和变形程度的影响。为了保证测试时不会发生横向位移，设置环形管的夹持装置。同时在装置的一端中，通过两个剪切试样来对通槽实现支撑，并在支撑端的通槽上和透射杆进行接触，刻槽上可以限制试样的横向运动，并仍能保证可以精确地对测量杆中的信号接收。同时因SHPB中测量的力以及位置是通过对试样剪切的剪切计算，夹持装置的后测试装置的横向运动受到限制时，在材料的剪切区上反映的变形状态则作为简单剪切。

3 结语

本文通过列举了四种代表性的金属复合材料，并对它们采用了多种强化方法进行剪切力性能分析，得出各金属复合材料在不同的剪切强化下的力学性能。并列举了两种常见剪切力学性能测试方法。未来研究中，可以对复合材料中本身材料进行深入研究，并确认材料本身的剪切力学性能强化。同时对材料的失效参数进行研究。