低温冷却对金属复合材料拉伸性能的影响

低温冷却对金属复合材料拉伸性能的影响JohnGaydaAndL.J.Ebert来自集体金属的机加工的拉伸试样，定向纤维复合材料（高强度不锈钢的铝合金）被加热到260°C然后冷却在空气中会产生一个拉伸参与应力状态在基体中。一些试件被冷却到沸腾的氮的温度，并保持15分钟，然后空气升温到室温。所有试件在拉伸状态下产生应变循环，应力应变行为的结果被记录。结果表明低温延长了这些金属第一阶段(完全弹性)的行为。结果表明，该冷处理的有益影响，导致一个残余应力状态的改变，这个改变是由塑料基体的流动引起的。它表明了这些影响能够被严密的分析方法所推测出。定向纤维复合材料的高额成本，以及高性能的需求，这些需求它们的使用，强制这些材料来尽量接近发展中国家的机械充分发挥其潜力作为属性是可能的。对于设计者来说，弹性模量和弹性极限是重要的机械属性。因此，高价值的实现对于这些属性是十分重要的。复合材料的固有属性表明了这些材料的三个反应阶段，在机械载荷，与塑料基体完全弹性，弹性纤维，和完全塑料。弹性极限取决于在基体部分里塑性流动的发生，然而屈服强度承受于在基体中产生一些预定的最小值的塑性流动的压力。不幸的是，由于构造了的残存应力的存在达到由复合材料生成最大弹性反应几乎没有可能。这些应力可能太大而致使弹性反应在一些复合材料中从未被看见。这种现象被在标准压力的缓解执行进一步复杂化，而这种应力的是发生对无效作用的复合材料却有效于同类材料。因此，这残余应力导致对材料使用的严重限制。尽管残余应力不能从复合材料中转移，它已充分显示出相对强度能被少量增加的与应变改变。事实证明，改变相关强度到残余应力状态的偏离部分变成使用中在遭受方向加压的程度。因此，残余应力被预应变改变，确实是有益的，而不是有害的。此外，它还表明了预应变的有益影响能够被严密的分析方法所预测。虽然机械预应变显示出在减少和转移残余应力的不利影响是十分有效的。它不总是可能的或实际去使复合硬件产生预应变。因此，如果混合材料作为一个高性能材料获得他们的全部潜力，那么其他的方法就一定会被发现。为寻找其他的补救方法，凭借纤维与具体部件的热涨值的重大不同，通过控制温度的升高或降低，来找到将塑性应变引进到基体中的方法。通过控制温度的降低似乎更加有希望，因为拉伸残余应力是在从高温中突然冷却中形成的。研究结果这样被报告：通过低温冷却的方法，减少了定向纤维复合材料中的残余应力的不利影响。这个研究包含着试验和分析两种方法。模拟混合行为为了找到控制残余应力的补救方法，有必要在三个重要的方向上知道强度和残余应力的迹象。此外，有必要通过基体中的纤维到纤维来知道残余应力的分配状态。因为残余应力测量的可行的试验方法被表面的方法所限制，或者已经完全破坏，测量方法决定了残余应力的资料必须被使用。为了这个目的，两种方法已经提前被发现。首先，基于有限元理论，它对于薄板更加有效。其次，作为同轴圆柱模型所知道的，它对于圆盘型及棒形材料更加有效。图1—密堆积（上）和松散包装（下）同轴圆柱模型的概念新阶段模型这些分析方法曾经由艾伯特和同事们在多种情况下成功的运用过。这一技术要求一系列应力应变曲线体积分数，热膨胀系数和以前的残余应力状态。由于有关这一研究的主要兴趣与金属板材有关联，采用的便是圆柱体。这一模型是基于以下概念。复合材料的机械性能能机械通过使用实用机械的原则，如果复合材料构造模拟一件两片同心圆筒，其中一个模拟器是纤维而另是一个是矩阵模拟器。图1显示了复合材料怎样运用紧和松概念。模拟复合材料的机械性能，解决了描述简单圆柱筒的性能相关问题。一个更精确的关于圆柱模型的描述可参照艾伯特、汉米尔顿和汉克的一些论文。实验过程6061铝合金，不锈钢，单向复合板，厚大约1.27厘米60和34卷厘（纤维体积含量）的0.33毫米不锈钢丝是由妇女事务部制作公司研究。板块由交替缠绕重冷加工不锈钢钢丝制造，这一粗加工成品被切成合适型号的片，这些被放置朝上给予所需的厚度。外包装随后在真空加热至520摄氏度长达30分钟并保持在28兆帕，按钮拉伸试样如图2所示，随后加工这些板块。为生产已知合理的残余应力状态，延伸标本需要加热到260摄氏度，保持这一温度30分钟等空气冷却。这种制作目的是双重的。首先，退火要在260摄氏度设计好为的是消除任何残余应力使之慢慢变形。时间和温度要保持在最小值以阻止母体基质可能削弱复合材料的反作用力。其次，空气冷却导致可拉伸残余应力在能被估算的最大值。退了火的样本紧接着要浸入液体中在196摄氏度冷却。15分钟以后，样本可移动和允许转入到暖空气中。冷却期待铸造一个有压缩力的残余应力状况到最大值，因此增加复合材料最初的生产点。所有的样本在其后应变循环紧张状态。该测试是与英斯特朗拉力机（型号的TT-C）中的0.508十字头速度有关。轴向拉力测量结果由电阻力评算。复合材料运行状态所有条件的轴向应力应变曲线图和体积分数研究在图3到图8中可以显示出来。在每一个例子中，实线代表试验数据，圆形代表预测同心圆柱模型基准样式的运行状态。数据显示出以下的检验，60卷厘标本展现出第一阶段（弹性纤维——弹性基体）和第二阶段（弹性纤维——塑料基体）的运行状态；然而，最初屈服点的冷却标本是退火材料的五倍。符合上述情况，从图一可以看到与冷却材料相关的固定应变的数量是很少的。重新装置的反应基本上是直线的。注意这缺少一个明显的磁滞现象的回线。这表明基体的运行状态在装载（和卸载）时是有弹性的。虽然基体的硬化工作确实存在，但是这并不是主要的加固机械装置。随着最初的屈服点的增加，无论是冷却结果还是机械预应变，都能直接得出在基体中创造出一个压缩剩余应力的结果。这个概念将在下面更多的材料中证实。图2——机械加工拉伸试样在此研究中被使用，放大倍率1.3倍。图3——退火材料的应力应变曲线图。60卷厘。34卷厘材料同样被预应变和冷却所加固；然而，混合物的反应与60卷厘材料有很多方面的不同。首先，在装载时可以发现一个可观的磁滞现象的回线。其次，预应变的材料在卸载时显示出一个屈服点（如图7）。所有的现象都可以直接得出纤维含量的减少。在之前，冷却或预应变的复合材料合力的增加，首先是由于在基体中的压缩剩余应力，然而，纤维和基体的硬化工作对较低纤维分数中的复合材料合力做出了重要的贡献。图4——预应变材料的应力应变曲线图。60卷厘。图5——被冷却材料的应力应变曲线图。60卷厘。图6——退火材料的应力应变曲线图。34卷厘。图7——预应变材料的应力应变曲线图。34卷厘。图8——被冷却材料的应力应变曲线图。34卷厘。剩余应力状态下的偏差器组成部分分配先前的剩余应力是非常重要的，它使拉伸状态能够在纤维应力偏差器的组成部分中最好的运行，混合材料将在使用中被装载。这个偏差器是由在三个重要方面中减少了静力组成部分（重要应力的平均值）的个别应力计算出的。它表示横截组成部分剩余应力的分配并不是微不足道的，有时确实超越了轴向组成部分的重要性。从图9中可以看出，偏差器应力中的一个典型剩余应力的分配已经被计算出来。这个基体的轴向偏差器特别引人关注，因为它是这个会限制混合材料的弹性运行状态的组成部分中较低的流动应力。偏差器是与在所有条件中被划分的纤维部分的剩余应力分配相联系的。这个结果在图10和图11中被证明。观察这些分配，无疑规格参数表能与每一个环境相关联，无论这个环境认为纤维分数是高还是低。首先，退火的环境是被一个在基体中的拉伸应力偏差器和一个在纤维中的压缩应力偏差器描绘出的。其次，冷却通过减少普通分配的重要性中被发现。第三，预应变产生于一个基体的环境，这个基体被在纤维应力变得拉伸时压缩应力的偏差器所描绘。预应变和冷却的影响是相似的尽管它们的重要性具有巨大的不同。图9——使用一个具有代表性的剩余应力分配计算出了纤维方面的偏差器应力组成部分图10——纤维方面的偏差器应力组成部分与三种材料的研究环境相联系。60卷厘。图11——纤维方面的偏差器应力组成部分与三种材料的研究环境相联系。34卷厘。机械装置金属基体混合物的拉伸运行状态通过先前领域的概念讨论是非常容易显示出来的。这些例子将在下一章考虑。他们a）从高温中冷却，b）冷却到低温学的温度，c）先前的拉伸预应变。从高温中冷却将在基体中产生一个拉伸偏差器，如果它的热涨系数超过纤维。因为两个部分组合在一起，纤维限制了出现一个拉伸应力偏差器的基体的自由收缩。为了维持力的平衡，一个压缩偏差器由于同样的原因产生在纤维中。据分析，实验有计划的将基体的温度从低温自由流动到室温。在装载混合物时，阶段一的行为充分地把拉伸屈服点上或附近的基体消耗或消除了。冷却到低温学的温度更进一步地增加了绝对大量的基体偏差器，因为混合物温度继续减少。然而，基体偏差器变得很少拉伸，当混合物从低温学的环境中移动出来的时候。这个现象是因为基体膨胀现在被拥有低热膨胀系数的纤维所限制。这个纤维偏差器必须变得很少压缩来维持力的平衡。如果这个基体不被冷却，这个冷却将不会该表残余应力的分布和并发的拉伸行为，因为这个情境并不是完全可逆的，也就是说，通过升温和降温来改变偏差器的压力是反向等值的。当基体被冷却，弹性行为保持温暖，模空间是不同的，因此，这个过程并不是可逆的，也就是说，通过升温和降温来改变偏差器的压力是反向不等值的。因此，并发混合物的拉伸行为通过冷却会使上述两种情况出现一种。如果温度的流动发生，最初的屈服点将增加因为基体偏差器现在很少拉伸。如果这个基体的温度没有流动，这个冷却将不会改变最初的屈服点因为基体偏差器仍然是不变的。在这个研究中，之前的情境在试验和分析中被发现。预应变趋向于通过生产一个残留的紧张状态的基体偏差器来增加金属集体混合物的最初屈服点。这个环境是通过超过最初的屈服点的预应变混合物产生的。在卸载时，这个基体的运行状态是有弹性的，因此，通过冷却的行为，这个情境并不可能产生出一个很少拉伸的基体偏差器。如果这个混合物的预应变足够充足，那么这个基体偏差器将能够达到在卸载时（基体的）流动压缩力。这个环境放置在对任何应变硬化都缺少的最初屈服点中的最高限制上，这个限制是通过混合材料和基体模板的比率（Ec/Em）获得的几乎等同于两次基体流动力的增加。因此，增加最初的装载超过关键的标准的确没有什么作用来提高最初的屈服点。结论根据材料的要点显示，它似乎确实能清晰地说明艾伯特和他的同事使用分析方法发现以纤维，金属基体混合材料等一系列环境为导向的机械运行状态是有能力的。此外，这项工作显示了在这些材料的全部弹性运行状态中延伸应力范围内冷却到低温学的温度是起重要作用的。这个产生影响的机械装置能够在目前仍存在的残余应力中分析出的变化推测出来。