碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析

铝合金板材实际拉伸率及残余应力的研究摘要：在淬火过程中，板材的表面层和中心层存在温度梯度，因此会产生较大的内部残余应力，在机械加工时，容易引起加工变形。

规定时间内通过拉伸的方法，可使板材纵向永久塑性变形，最大限度地消除淬火残余应力，建立新的内部应力平衡系统，增强尺寸稳定性，改善加工性能。

关键词：拉伸率、屈服强度、残余应力下面我们经过几组拉伸试验结果，分析研究铝合金板材实际拉伸率及残余应力的关系。

一试验方法本试验通过拉伸前在来料铝合金板材上画1米线，拉伸后测出1米线的实际长度来记录板材的实际拉伸长度，从而得出板材的实际拉伸率分布情况。

图1及图2为板材测量实际拉伸率的划线分布图：设定拉伸率：3%。

由图4结果可知，厚度为10.3 mm的7075-T651铝合金板材在拉伸率设定为3 %时，板材拉伸率的测量结果表明：沿板材宽度方向上，头部区域与尾部区域的拉伸率测量值基本一致，呈抛物线形式分布，但低于设定的理论值。

其原因与图3情况相似，都是由于实际屈服强度低于理论值有关。

三结论由上述结果可知，目前拉伸机的的实际拉伸率在屈服强度设置合理的情况下，尚能保证其正常偏差±0.2%内。

实际拉伸率的会因为板形的原因呈抛物线分布，铝合金板材在拉伸时有凸度的情况下会更加明显。

这些原因除了来料本身的原因外，设备上的原因可归为钳口夹持原因。

拉伸机设备的夹持装置，都是由同一个气缸所控制的，每个钳口模块施加的夹持力都是均衡的。

夹持力均衡是建立在板材的横向不平度为0的情况下，但是我们生产过程中的板材由于轧制、热处理过后、因应力收缩，铝合金板材存在一定程度的变形，无论是横向及纵向不平度，都是客观存在的。

由于钳块夹持系统是由感应夹持力来判定夹持力的大小，当所有钳块中夹持力有一个达到目标值，即判定为夹紧状态。

这样的结果导致了在拉伸过程中存在部分夹持钳口存在咬痕不均的情况，而咬痕不均匀会导致拉伸过程中各个钳口拉伸的板材位置施加的等面积受力不一，从而导致拉伸板材的拉伸率不一样。

2324铝合金厚板内部残余应力分布特征及其影响铝合金厚板在工业领域中应用广泛，但是在加工生产过程中，铝合金厚板内部存在着残余应力。

这些残余应力可能会对材料的性能和使用寿命产生一定的影响，因此对铝合金厚板内部残余应力的分布特征及其影响进行研究具有重要意义。

一、铝合金厚板内部残余应力的形成原因铝合金厚板在加工过程中经历了多次冷变形和热变形，这些过程都会对材料内部产生作用力，导致残余应力的形成。

其中，冷变形会导致铝合金厚板内部的拉伸应力和压缩应力的产生，而热变形则会导致铝合金厚板内部的膨胀应力和收缩应力的产生。

二、铝合金厚板内部残余应力的分布特征铝合金厚板内部残余应力的分布特征是不均匀的，并且会受到许多因素的影响。

例如，铝合金厚板的材质、加工方式、加工温度和冷却方式等都会对铝合金厚板内部残余应力的分布特征产生影响。

通常情况下，铝合金厚板内部的残余应力分布呈现出一定的规律性。

在铝合金厚板的中心位置会出现最大的残余应力值，而在铝合金厚板的表面和边缘位置则相对较小。

残余应力也会随着厚度的增加而增加，这是因为铝合金厚板的内部材料受到的空间限制越来越严格，从而产生了更多的残余应力。

三、铝合金厚板内部残余应力的影响铝合金厚板内部残余应力的存在会对材料的性能和使用寿命产生一定的影响。

一方面，铝合金厚板的内部残余应力会引起材料的塑性变形和开裂，从而降低材料的强度和韧性。

另一方面，铝合金厚板内部残余应力还可能导致材料的腐蚀和断裂，严重影响铝合金厚板的使用寿命。

四、减少铝合金厚板内部残余应力的方法为了减少铝合金厚板内部残余应力对材料性能和使用寿命的影响，可以尝试采用以下方法：1. 降低加工温度，在加工生产过程中适当减少冷变形和热变形的次数和程度，从而减少铝合金厚板内部残余应力的产生。

2. 合理控制冷却方式，采用适当的冷却方式可减少内部残余应力。

3. 合理设计模具，模具的设计和优化，也是减少残余应力的关键。

4. 热处理，铝合金厚板经过适当的热处理可有效缓解内部残余应力的问题。

1概念解释首先统一两个概念：应力和应力集中。

所谓应力，就是部件在外力作用下发生变形，部件内部由于变形，各部分发生位置的相对变化，从而引起内部产生相互作用力，这个相互作用力，就是内力。

虽然我们知道，部件不受外力的时候，内部各个点之间也有相互吸引和互斥的力，但是这里的内力，指的是外力作用下引起的内部作用力，是附加内力。

而应力，则是内力在截面积上的分布，是内力分布程度的度量。

同时外力的涵义也可以进行延伸，不仅仅是传统意义上的力，甚至是温度变化也可能等效于外力作用，所引起的内力就称为热应力。

所谓应力集中，就是外力作用产生的内力，在部件内部分布产生了聚集。

本来对于均匀材质的部件，应力是在截面上均匀分布的（下图a）。

但是如果部件有一个小孔（下图b），本来均匀分布在截面上的应力，聚集在小孔周围。

这种现象叫应力集中。

距离小孔越近，应力集中度越高，，距离小孔越远，应力集中度越低。

这种应力的分布不均匀，会造成应力集中的部位，较早的触及材料强度的极限。

作为木桶上最短的一块木板，应力集中区域在外力还不算太大的时候产生破坏。

研究应力集中现象，是为了避免应力集中，或者是将应力集中对部件的破坏效应降低到最低。

内容就是，研究各种因素对应力集中的程度，会有什么样的影响。

不过在这之前，要对应力集中的程度进行一个定义。

2应力集中的程度应力集中地程度可以用应力集中系数来表示。

现在闭上眼睛，思考应力和应力集中的定义。

应力是作为外力的响应，从而在部件内部产生的内力，它的大小跟外力有关，外力越大，变形越大，产生的应力也就越大。

而应力跟截面积也有关系，截面积越大，单位面积上的内力就越小，应力也越小。

为了使部件达到平衡，截面积上的应力之和，应该等于外力，方向与外力方向相反。

也就是说，在相同的外力下，应力的总和是相同的。

应力集中只是是改变了应力的分布，靠近小孔的区域应力高于平均值，那么远离小孔的区域应力就会低于平均值，最终之和是固定的。

只不过在各个区域，应力的分布有了差异。

碳纤维增强铝合金层合方管轴向吸能特性孙宏图;王健;李峰勋;申国哲【摘要】为减轻薄壁吸能结构质量、提高结构能量吸收性能,制备碳纤维增强铝合金层合方管试样.对方管试样进行准静态轴向压缩试验,研究碳纤维增强铝合金层合方管的变形模式和机理.提出分段碳纤维复合材料层合方管的设计方法;并对其轴向吸能特性进行对比验证.结果表明,外层碳纤维复合材料与内层铝合金材料的界面出现脱层断裂,内层铝合金材料对方管变形起到了引导作用,外层碳纤维复合材料阻碍铝合金材料的折叠变形,碳纤维增强层合方管较原铝合金方管有效压缩能量提高了35.79％,压缩力效率提高了28.38％;而分段碳纤维增强铝合金层合方管还能有效降低初始峰值压缩力,提高薄壁结构压缩力效率,压缩力效率较原来提高了13.53％,进一步提升碳纤维增强薄壁结构的吸能特性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)017【总页数】5页(P22-26)【关键词】碳纤维;铝合金;复合材料;轴向压缩;吸能特性【作者】孙宏图;王健;李峰勋;申国哲【作者单位】鲁东大学交通学院,烟台264025;鲁东大学交通学院,烟台264025;鲁东大学交通学院,烟台264025;大连理工大学汽车工程学院,大连116024【正文语种】中文【中图分类】TB331纤维增强金属层合板是一种由金属合金薄板与纤维/树脂铺层采用胶接技术交替层压而成的复合材料，其既具有金属材料较高的比强度、比刚度以及良好的塑性、断裂性能、抗冲击性能、耐腐蚀性能和加工性能等优点，又保留了纤维增强复合材料良好的抗疲劳性能；因此已被广泛地应用于航空和航天领域。

碳纤维具有高比强度、高比模量、低密度、耐高温、耐低温、低热碰撞系数、耐酸性等优点，已经在工业领域中得到广泛应用。

碳纤维增强铝合金层合板(carbon fiber reinforced aluminum laminates, CFRAL)相对于芳纶纤维和玻璃纤维层合板具有更高的比强度、比刚度和疲劳性能[1]，因而具有更广泛的应用前景。

SiC纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料的界面优化及残余应力研究的开题报告一、选题背景和意义随着航空航天业的发展，对于高性能、耐高温、耐腐蚀、轻质化材料的需求越来越大，而Sic纤维增强钛基复合材料具有高温强度、优异的耐热和抗氧化能力、低密度等优点，在航空航天等领域有广泛的应用前景。

在Sic纤维增强钛基复合材料的制备过程中，往往需要考虑陶瓷、金属和纤维等材料的力学和热学性能之间的匹配程度，特别是在增强纤维和金属基体界面上存在的残余应力问题，影响着复合材料的性能和寿命。

本课题的研究内容是基于Ti-22Al-26Nb复合材料，采用Sic纤维增强，利用界面优化技术和残余应力研究方法，对复合材料的力学性能和结构稳定性进行研究，旨在为探索高性能、高稳定性的复合材料提供理论和技术支持。

二、研究内容和方案1. 复合材料制备本课题将采用真空感应熔炼-等轴凝固工艺制备Sic纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料。

优化工艺参数，通过表面化学处理、表面涂层和真空干燥等工艺方法降低增强纤维与金属基体之间的残余应力，并提高界面结合强度。

2. 材料组织结构表征采用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等手段对复合材料的微观结构进行表征，分析增强纤维与基体之间的结合情况及其对残余应力的影响。

3. 界面优化与残余应力测量采用X射线衍射仪和拉曼光谱仪等技术对复合材料界面的晶体结构和相变行为进行研究，分析界面调控对材料力学性能的影响。

同时，利用同步辐射X射线和中子散射仪等现代表征方法，测量复合材料中的残余应力场分布，分析应力分布规律、应力与力学性能之间的关系。

4. 材料力学性能测试采用万能试验机、动态机械分析仪等设备对复合材料的力学性能进行测试，包括拉伸、压缩、剪切和疲劳等测试，探究界面优化和残余应力对材料力学性能的影响。

三、预期结果和意义通过界面优化和残余应力控制等手段，制备出高稳定性、高强度的Sic纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料，并深入分析其微观结构、晶体结构、应力场分布和力学性能，揭示增强纤维与基体之间的相互作用规律，提高复合材料的力学性能、耐腐蚀性和寿命，为高性能复合材料的研究和制备提供理论和技术基础。

叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能顾 姝, 蔡长春, 余 欢*, 徐志锋, 王振军（南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室, 南昌 330063）摘要：以铝合金ZL301为基体，碳纤维叠层缝合织物为增强体，采用真空压力浸渗工艺制备叠层缝合碳纤维增强铝基（叠层缝合C f /Al ）复合材料。

通过室温落锤冲击实验，研究冲击载荷及能量随时间的变化行为规律，采用光学显微镜和工业数字X 射线成像系统观测其冲击损伤形貌，分析冲击损伤机理。

通过冲击后压缩（CAI ）实验，研究复合材料在不同冲击能量下沿经纱方向的剩余强度，观察压缩试样宏观与微观断口形貌，分析压缩失效机制。

结果表明：冲击载荷作用下叠层缝合C f /Al 复合材料发生了显著的局部损伤，正面损伤区域出现了较明显的凹坑，而其背面出现明显的沿经向的裂纹，裂纹长度随冲击能量增加而增大，损伤模式主要表现为基体开裂和纤维断裂拔出；冲击后的经向压缩强度随冲击能量的增大而下降，压缩后的复合材料出现了从冲击裂纹端部沿纬纱方向扩展到试样边缘的横向裂纹，压缩宏观断口中纱线结构破坏严重程度随冲击能量的增加而加重，而压缩后的微观断口均呈现出纤维剪切断裂后参差不齐的形貌。

关键词：叠层缝合；C f /Al 复合材料；低速冲击；冲击后压缩；失效机制doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000209中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)03-0080-09纤维增强复合材料（FRP ）因密度小、比强度高、比模量大、各项力学性能优异而被广泛应用，其中碳纤维增强复合材料（CFRP ）以其高强高模、耐高温、可多维编织、热力学性能优良等特点脱颖而出，广泛应用于航空航天领域，但其特殊的使用环境中存在如飞鸟、冰雹等外来物体的冲击，对复合材料造成一定程度的损伤，降低其力学性能，缩短其使用寿命，影响飞行安全。

第21卷 第1期航 空 材 料 学 报Vol.21,N o.1 2001年3月JOU RN AL O F AERONA U T ICAL M AT ERIA LS M arch2001纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型牛莉莎,胡齐阳,施惠基(清华大学工程力学系,100084北京)摘要:从复合材料内部组分的细观力学关系入手,建立了基底/涂层/纤维三层力学模型。

该核型能够分析有涂层的连续纤维增强金属基复合材料在温度和机械载荷同时变化下的应力应变关系,并可用于计算铝基复合材料的制造热残余应力状态。

算例分析表明:涂层的物理性能对复合材料的整体力学性能有很大影响。

在涂层上,有些残余应力分量远高于基底和纤维处的状况。

涂层的弹性模量不同,对材料的横向应力影响最大。

关键词:纤维增强铝基复合材料;涂层效应;粘塑性;残余应力中图分类号:T B331 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2001)01-0036-07随着航空航天工业的发展,金属基复合材料以其卓越的热机械性能得到了广泛的应用,特别是在一些对温度与机械受载要求高的高温组件中显得尤为突出,比如航天飞行器中的主承力构件、飞机的整体壁板以及发动机的承力构件等[1,2]。

可是由于这类复合材料加工温度高,工艺复杂,界面反应控制困难,特别是在制造过程中形成界面高残余应力,给材料的使用性能带来不稳定因素。

本文正是以此为工程背景,从细观力学分析的角度对连续纤维增强铝基复合材料的热机械残余应力加以研究。

在以往对此种材料界面残余应力的研究中,往往构造一个两层力学模型,将金属基底和纤维之间考虑成粘结与滑移两种情况,很少研究涂层对残余应力的影响。

然而,一些相关的分析表明,涂层区的受力状态不应忽视,一些复合材料的最大应力出现在涂层处,并且随着纤维与涂层的厚度比的增大而减小,而且涂层与基底和纤维的脱胶与桥联直接相关[3]。

所以有必要对涂层区进行力学分析,关注涂层的引入对于复合材料的粘塑性性能和界面残余应力的影响。

第18卷第6期2008年12月 粉末冶金工业POWDER METALL URG Y INDUSTR Y Vol.18No.6Dec.2008收稿日期3作者简介邹　晋(3),男(汉),江西乐平人,硕士,主要从事金属基复合材料开发研究。

颗粒增强铝基复合材料热残余应力分析邹　晋,陆德平,陆　磊,谢仕芳,陈志宝(江西省科学院应用物理研究所,江西南昌　330029)摘　要:碳化硅颗粒增强铝基复合材料在高温制备冷却过程中会产生较大的热残余应力场。

热残余应力的存在对材料尺寸稳定性有较大影响从而影响到材料在应用中的精度。

本文采用XRD 测量了复合材料内部残余应力,分析了不同因素对热残余应力的影响。

XRD 测量结果表明:不规则形颗粒增强SiC p /ZL101复合材料中热残余应力高于近球形Si C p /ZL101复合材料;复合材料中热残余应力随着增强体颗粒粒径的减小而增大;水冷处理后的复合材料中热残余应力最大,空冷次之,炉冷最低。

关键词:SiCp/Al 复合材料;热残余应力;X 射线衍射中图分类号:TG 146 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2008)06-0027-05R ESEARC H O F T HERMAL R ES I DUAL S TR ESS IN Si C p /Al COMPOSITESZOU Jin ,L U De 2ping,L ULei ,X I E Shi 2f ang,CHEN Zhi 2bao (Jiangxi Aca demy of Sciences ,Nanc hang 330029,China )Abstract :Hi gh re si dual st ress i s o bserved in Si Cp/Al co mposi te s during cooli ng p rocess.The t hermal residual stre ss is an i mporta nt factor for composit es dimensio n st abilit y a nd precisioni n applicat io n.The t hermal residual st ress i n S i C p /ZL101composit es was measured by XRD ,and t he effect of diff erent factors wa s analysed.The re sul t s i ndicate t hat t he st re ss in irregu 2la r Si C p /ZL101composi te s is l arger t han t hat in spherical SiC p /ZL 101composit es.The t her 2mal re si dual st ress was increased wit h t he reduct ion of part icle diamet er.The t her mal residu 2al st ress wa s t he l argest i n wat er cooled composit es.K ey w ords :Si C p /Al composit es ;t hermal re si dual st ress ;XRD SiC 颗粒增强铝基复合材料(Si C p /Al)因为其较高的比强度、比刚度以及良好的导热性等多种优异的物理和机械性能,在航空航天、光机仪器、电子封装等领域具有广泛的应用前景[1～5]。

铝合金厚板残余应力测试方法有效性分析龚海;吴运新;廖凯【摘要】通过分析试件应力分布的均匀性,对裂纹柔度法和层削法测试结果的有效性进行了评价.结果表明:深层应力测试方法能有效描述应力分布均匀的试件内应力的真实分布;对于应力分布均匀性差的试件,测试结果反映的是综合应力,不能有效描述内应力的真实分布,内应力分布的准确描述需要结合有限元仿真、表面测试和深层应力测试进行综合评价.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2010(000)001【总页数】5页(P42-46)【关键词】残余应力;铝合金;裂纹柔度法;层削法;X射线衍射;有限元法【作者】龚海;吴运新;廖凯【作者单位】中南大学,机电工程学院,长沙,410083;中南大学,机电工程学院,长沙,410083;中南大学,机电工程学院,长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TG146.2Abstract:The validity of both crack compliance method and layer removal method measurement results was evaluated by analyzing the stress distribution uniformity of the test coupons.The results show that the two methods can describe the real stress distribution effectively for testcoupon with mean stress distribution;while for test coupon with unmean stress distribution,the measurement results are synthetic stresses,and can not describe a real stress distribution.In order to describe the real residual stress distribution of test coupon accurately,it is necessary to combine the use of FEM,surface stress measurement and deep floor stress measurement,and to give an integrate evaluation.Key words:residual stress;aluminum alloy;crack compliance method;layer removal method;X-ray diffraction;finite element method提高航空结构件残余应力的测试精度,意味着可提高其安全可靠性,减轻质量及降低成本[1]。

摘要C f/Al复合材料密度低，比强度和比刚度高，是制作空间飞行器的主要备选材料。

高温环境和热循环环境是这些飞行器在使用过程中将要面临的主要工作环境。

尽管C f/Al复合材料在室温下具有优异的力学性能，但在高温下金属基体的软化温度较低会导致复合材料的过早失效。

因此，为了提高飞行器的使用可靠性，提高C f/Al复合材料的高温强度是需要解决的关键问题。

此外，由于碳纤维和铝基体之间存在较大的热膨胀系数不匹配，在热循环过程中复合材料的界面不可避免的会出现损伤，因此热循环后C f/Al复合材料力学性能的保有率和尺寸的稳定与否也是其在使用前需要考察的重要指标。

本文通过压力浸渗法制备了基体合金成分不同的3种C f/Al复合材料。

微观组织观察表明，C f/pure Al复合材料和C f/Al-Mg复合材料的主要界面相分别是Al4C3和Al58Mg42。

在C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料中发现了一种新型富Fe的多元析出相，通过TEM衍射斑点标定和XRD确定了这种新相的晶体结构为体心立方结构，晶格常数为1.39 nm。

通过Chou模型将Miedema二元热力学模型推广到四元，并对Al-Fe-Mg-Si四元合金中可能析出的几种第二相的反应Gibbs 自由能进行了计算，表明C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料中富Fe多元相的形成满足热力学条件。

研究了微观组织结构对C f/Al复合材料室温及高温力学性能的影响。

结果表明，随着基体合金中Mg元素含量的增加，复合材料界面生成的Al4C3数量减少，尺寸减小，复合材料的室温抗弯强度升高。

然而，由于AlMg二元相高温稳定性差，导致C f/Al-Mg复合材料300℃时的抗弯强度仅为室温时的70%左右。

富Fe多元相对位错运动有较强的阻碍作用，并具有良好的高温结构稳定性，因此C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料在400℃时仍能保持882 MPa的抗弯强度。

研究了400℃热暴露对C f/Al-Fe-Mg-Si复合材料力学性能的影响规律。

碳纤维增强复合材料加工中的应力分析与控制研究碳纤维增强复合材料是一种具有轻质高强的优异性能的新型材料。

在汽车、航空航天、船舶等领域有广泛的应用。

然而，由于其在加工过程中容易受到应力的影响，使其性能可能会发生变化，因此需要针对其加工中的应力分析与控制进行研究。

1. 碳纤维增强复合材料的基本结构及加工工艺碳纤维增强复合材料是由两种不同性质的材料组成的，即碳纤维和树脂基体。

其基本结构为单个或多个碳纤维通过树脂基体粘结在一起，形成整体。

其制造工艺主要包括预浸料模压、纺织预浸料复合、旋转成型、层叠成型等多种方法。

其中，预浸料模压是一种常用的制造工艺，其过程中需要对材料进行加热和压缩处理。

2. 碳纤维增强复合材料在加工过程中的应力分析由于碳纤维增强复合材料的制造过程需要加热和压缩处理，因此在加工过程中会受到一定的应力。

这些应力主要包括内部残余应力和加工应力两种。

内部残余应力是由于制造过程中材料的不同热膨胀系数和收缩率导致的应力，而加工应力则是由制造过程中施加的压力和温度变化引起的应力。

3. 应力对碳纤维增强复合材料性能的影响由于碳纤维增强复合材料的性能与其内部结构有关，因此应力的存在会对其性能造成不同程度的影响。

比如，内部残余应力会使材料变形、产生孔洞，导致材料的强度和刚度下降。

而加工应力则可能导致材料中的碳纤维错位、断裂，并可能产生裂纹，从而降低其整体性能。

4.应力分析与控制方法研究针对碳纤维增强复合材料加工过程中的应力问题，研究者们提出了一系列的分析与控制方法。

其中，通过优化加工工艺和控制加工参数来减轻应力是最常见的方法之一。

另外，利用数学模型模拟材料在加工过程中的应力分布和应力变化规律，是一种较为精确的方法。

同时，利用一些辅助手段如气囊、拉力调节器、真空抽气器等，也可以在一定程度上减少材料在加工过程中的应力。

5. 碳纤维增强复合材料应用前景碳纤维增强复合材料具有轻质、高强等优异性能，因此在各个领域应用前景广阔。