武高輝,喬菁,姜龍濤

哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 150001

摘要

關(guān)鍵詞：尺寸穩(wěn)定性;金屬基復(fù)合材料;評價方法;復(fù)合材料設(shè)計

材料的尺寸變化是無時不在、無時不有的自然現(xiàn)象,是材料本身的一種經(jīng)時變化行為。材料在長期貯存或者服役環(huán)境下保持原始尺寸不變的能力稱之為材料的尺寸穩(wěn)定性。

陀螺儀、加速度計、星敏感器等設(shè)備是角度、速度、位置的傳感器,決定了導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器的定位精度,這些精密儀器的精度對零件的微變形十分敏感,有計算表明,陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏移0.1 μm,陀螺漂移將產(chǎn)生1°/h的測試誤差。不僅高精度慣性儀表,精密軸承的精度也受材料尺寸穩(wěn)定性性能直接制約。技術(shù)先進(jìn)國家普遍對材料尺寸穩(wěn)定性問題十分重視,前蘇聯(lián)經(jīng)過長期大范圍的研究,20世紀(jì)70年代初便制定了金屬材料尺寸穩(wěn)定化處理工藝國家標(biāo)準(zhǔn)。我國的研究報道十分稀少,這與工程技術(shù)發(fā)展總體水平有關(guān),與研究難度大、評價方法不健全也有關(guān)系。長期以來,研究者大多將研究側(cè)重點(diǎn)放在了材料或者復(fù)雜零件的殘余應(yīng)力的檢測與處理上,實(shí)際效果十分有限。

在研究者沒有找到材料尺寸穩(wěn)定性加速測試方法之前,美國和前蘇聯(lián)采用微屈服強(qiáng)度和微蠕變抗力評價材料尺寸穩(wěn)定性,這種方法可以評價材料在應(yīng)力短時加載和長期加載條件下材料抵抗微變形的能力,依賴于這種方法,發(fā)現(xiàn)了材料的組織不穩(wěn)定相關(guān)因素,例如通過熱處理、預(yù)拉伸變形等手段調(diào)整晶粒尺寸、位錯結(jié)構(gòu)等,前蘇聯(lián)的穩(wěn)定化處理工藝標(biāo)準(zhǔn)也是基于組織穩(wěn)定性原理而制定的。但是這些無法解釋材料在長期服役或者零件貯存過程中的尺寸微小變化,微蠕變也僅限于純金屬或者退火處理的合金試樣。

作者分析了陀螺儀多次啟停后產(chǎn)生“逐次漂移”的現(xiàn)象,認(rèn)為是每次啟停時零件經(jīng)受高低溫循環(huán)的激勵而誘發(fā)的材料變形。隨之發(fā)明了模擬溫度變化條件的固體材料尺寸穩(wěn)定性評價方法[1],評價試樣在無應(yīng)力作用、單純溫度循環(huán)過程中材料的尺寸穩(wěn)定性。這種新方法的誕生發(fā)現(xiàn)了材料相穩(wěn)定問題、材料組織穩(wěn)定問題以及相穩(wěn)定各向異性等問題。以往研究者更多關(guān)注的是殘余應(yīng)力對微變形的影響,但消除應(yīng)力處理并不能解決零件微變形問題。新測試方法發(fā)現(xiàn)材料在充分退火之后,在溫度循環(huán)條件下仍會發(fā)生嚴(yán)重的微變形。分析認(rèn)為,主要與時效、析出等熱力學(xué)驅(qū)動因素有關(guān)。也就是說,材料的內(nèi)稟因素才是導(dǎo)致零件在貯存和服役過程中發(fā)生微變形的本質(zhì)性原因,而殘余應(yīng)力僅僅是誘發(fā)微變形的外部因素之一。

對于金屬基復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計,關(guān)鍵問題首先是基體鋁合金在非受力和受力狀態(tài)下微變形機(jī)理的分析問題;其次,鋁合金與陶瓷相復(fù)合可以提升強(qiáng)度與剛度,但是陶瓷相的加入必然引入新的界面應(yīng)力,導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性下降,研究者要揭示這一矛盾關(guān)系并提出解決這一矛盾的辦法。

1 尺寸穩(wěn)定性基本概念及其表征方法

1.1 尺寸穩(wěn)定性的概念

“尺寸穩(wěn)定性”的概念在我國的材料工程教科書中未見介紹,常常與“溫度穩(wěn)定”和“熱穩(wěn)定”相混淆。尺寸穩(wěn)定性是指在長期貯存(幾年、十幾年)或者服役(溫度循環(huán)、振動、沖擊、輻照等)環(huán)境下,材料或零件保持其原始尺寸和形狀不變的能力。尺寸穩(wěn)定性與熱膨脹變形、熱穩(wěn)定性、彈性變形是完全不同的物理概念。熱膨脹變形是零件尺寸和形狀隨著溫度變化發(fā)生的可逆變形,用熱膨脹系數(shù)(α)與溫度變化幅度(ΔT)的乘積αΔT表征,這是材料溫度穩(wěn)定性的問題,熱膨脹變形可預(yù)測,可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制程序中加以補(bǔ)償;熱穩(wěn)定性用材料的導(dǎo)熱率(λ)與α之比(λ/α)來表征,比值越大,熱穩(wěn)定性越好,其意義在于反映材料抵抗熱載荷變化而自身尺寸不變的能力,也可以反映構(gòu)件熱慣性的大小;材料彈性變形是材料柔性問題,是指在小于彈性極限的應(yīng)力作用下發(fā)生彈性變形的性質(zhì),用柔度系數(shù)(S,即彈性模量的倒數(shù)(1/E))與應(yīng)力幅度(Δσ?的乘積S?σ表征,這是可恢復(fù)、可預(yù)測的變形,也可以在設(shè)計中補(bǔ)償。材料尺寸穩(wěn)定性要復(fù)雜得多,研究的是在短則幾天,長則幾年、十幾年的貯存或者服役后發(fā)生的不可逆微變形。通常采用試樣或者零件經(jīng)過存放(恒溫、變溫)或服役(變溫、振動、沖擊、輻照等)環(huán)境暴露前后,在固定條件下所測得的尺寸或形位的變化來表征。早期研究中,研究者采用棒狀試樣直接放置于恒定溫度環(huán)境下連續(xù)檢測半年甚至幾年的尺寸變化,這種方法直觀但是實(shí)驗(yàn)周期太長。

1.2 尺寸穩(wěn)定性的表征方法

Хенкин等[2]將材料的尺寸穩(wěn)定性特征與服役條件相關(guān)聯(lián),分為負(fù)載作用下的尺寸穩(wěn)定性和無負(fù)載作用下的尺寸穩(wěn)定性2大類。

負(fù)載條件下材料尺寸穩(wěn)定性主要用微屈服強(qiáng)度[3,4,5,6,7,8]、應(yīng)力松弛極限及微蠕變抗力[2,3]來表征。微屈服強(qiáng)度指材料拉伸時產(chǎn)生10-6數(shù)量級不可逆變形時所對應(yīng)的應(yīng)力。微屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法為加載-卸載法,隨著測試裝置精度的提高,也可以直接用慢速加載法簡單評價[8]。微屈服強(qiáng)度反映的是材料在短時負(fù)載下的微塑性變形抗力,它不能表征材料的組織不穩(wěn)定與相不穩(wěn)定對尺寸變化的影響。應(yīng)力松弛極限及微蠕變抗力(也稱之為微蠕變強(qiáng)度)是表征長期低應(yīng)力負(fù)載作用下材料微塑性變形抗力的指標(biāo)。實(shí)際操作中,需要對溫度、濕度、電壓、振動、儀器數(shù)據(jù)漂移等因素嚴(yán)格掌控,由于實(shí)驗(yàn)載荷小、精度高、時間長帶來諸多不確定因素,特別是對于時效析出型合金會出現(xiàn)變形假象,只有對純金屬或者充分退火的合金才能獲得可靠的數(shù)據(jù)。

無負(fù)載條件下的尺寸穩(wěn)定性以往在國際上廣泛采用測試殘余應(yīng)力的方法來評價。但是,不同材料或者同種材料經(jīng)不同熱處理工藝后其微屈服強(qiáng)度,亦即抵抗應(yīng)力松弛的能力不同,因此同樣殘余應(yīng)力水平下實(shí)際微變形的特征大不相同。測試殘余應(yīng)力并不能準(zhǔn)確預(yù)測材料尤其是復(fù)雜零件的微變形規(guī)律。

近來Song等[9]提出用冷熱循環(huán)過程中彈性滯后變形(εc)來衡量材料尺寸穩(wěn)定性的方法。這一評價方法與材料的本身熱膨脹性質(zhì)有關(guān)[10],不能解釋溫度循環(huán)后的不可逆變形現(xiàn)象,而這才是工程界所關(guān)心的問題。

陀螺儀多次啟停后會產(chǎn)生“逐次漂移”,其數(shù)值較隨機(jī)漂移大1~2個數(shù)量級。作者分析認(rèn)為,陀螺儀每次啟停都要經(jīng)受20~70 ℃的高低溫循環(huán),很多高精度儀器儀表在貯存和服役過程中都要承受室內(nèi)外、晝夜、四季、空間陰陽面等溫度循環(huán)過程,其精度漂移很可能是這種溫度變化激勵作用誘發(fā)材料變形所導(dǎo)致的。本文作者等[1]提出了一種溫度循環(huán)條件下材料尺寸穩(wěn)定性評價方法——冷熱循環(huán)實(shí)時檢測法,這種方法是通過拓展熱膨脹儀的功能來實(shí)現(xiàn)的。確定20 ℃為檢測溫度,控制熱膨脹儀的溫度按照一定速率和幅度循環(huán)變化,監(jiān)測試樣在冷熱循環(huán)過程中的尺寸改變,采集每次循環(huán)到20 ℃時試樣的實(shí)際尺寸,將尺寸變化對循環(huán)次數(shù)作圖,即可得到試樣在溫度循環(huán)條件下的尺寸穩(wěn)定性特性。圖1所示為SiC/2024Al復(fù)合材料T6態(tài)試樣經(jīng)-20 ℃到+60 ℃循環(huán)10 cyc所測得的尺寸變化。圖1a為溫度控制曲線,圖1b為每次溫度循環(huán)后在20 ℃采集的尺寸變化數(shù)據(jù)。可見,T6處理后復(fù)合材料試樣在溫度循環(huán)條件下尺寸縮小,循環(huán)10 cyc后尺寸縮小的絕對值約為1×10-5,相當(dāng)于100 mm長的圓棒縮短了1 μm。

圖1T6態(tài)SiC/2024Al復(fù)合材料在-20~60 ℃之間循環(huán)時的溫度-時間曲線和尺寸變化-循環(huán)次數(shù)曲線

Fig.1Temperature-time curve (a) and dimensional change-cycling times curve (b) of SiC/2024Al composites (T6) during cycling between -20 ℃ and 60 ℃ (dL—change in length,L0—original length)

冷熱循環(huán)實(shí)時測試法,是一種能夠模擬材料服役條件的加速實(shí)驗(yàn)方法,測試數(shù)據(jù)反映出材料組織變化、沉淀析出、相變以及應(yīng)力松弛等內(nèi)稟變形機(jī)制的綜合耦合作用結(jié)果。該方法的實(shí)驗(yàn)周期僅為2~3 d。利用該測試方法首次發(fā)現(xiàn)了微蠕變、應(yīng)力松弛等測試方法無法發(fā)現(xiàn)的諸如時效析出不同析出相引起尺寸變化的相穩(wěn)定等問題。

2 鋁合金的尺寸穩(wěn)定性研究進(jìn)展

Brown和Lukens[7]系統(tǒng)研究了材料晶粒尺寸、熱處理后的位錯密度、二次變形(影響晶粒尺寸和位錯密度)等對微形變的影響,得出了著名的關(guān)系式:

${?}_{}=\frac{\mathit{c\rho }{?}^3{\left(?-{?}_{\mathrm{o}}\right)}^2}{?{?}_{\mathrm{o}}}$(1)

式中,ε為應(yīng)變;c為常數(shù),約等于0.5;ρ為可動位錯源的密度;d為晶粒尺寸;σ為外部施加的應(yīng)力;σo為第一個位錯開動所需的應(yīng)力;G為切變模量。式(1)所表征的是以位錯運(yùn)動為主要理論依據(jù)的尺寸穩(wěn)定性問題,是一種組織穩(wěn)定問題。可以看出,通過減小可動位錯源密度,增加位錯的運(yùn)動阻力,減小可動位錯的運(yùn)動距離,以及減小晶粒尺寸,有助于改善微變形特性。

組織穩(wěn)定問題可以通過熱處理的工藝方法給予改善,尺寸穩(wěn)定化熱處理工藝的主要目的就是解決組織穩(wěn)定問題。

作者分析了2024Al合金時效過程中的尺寸變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計為：將材料加工成熱膨脹試樣,進(jìn)行固溶處理之后立即放入膨脹儀中在時效溫度下保持,觀察時效過程中的尺寸變化。圖2[11]是一組軋制板材不同方向上的尺寸變化測試結(jié)果。采用冷熱循環(huán)尺寸穩(wěn)定性測試方法,發(fā)現(xiàn)了軋制鋁合金尺寸穩(wěn)定性各向異性的嚴(yán)重性。沿不同軋向的尺寸變化與織構(gòu)演化有關(guān),這是組織穩(wěn)定的問題;另一方面,發(fā)現(xiàn)Al2CuMg相的析出,加重了軋向的尺寸縮小,這屬于相穩(wěn)定范疇。

圖22024Al合金板材不同方向190 ℃時效時尺寸變化曲線[11]

Fig.2Dimensional changes of 2024Al plate in different directions during holding at 190 ℃[11]

相穩(wěn)定性是與析出相析出過程相關(guān)的。析出相與原基體Al的比容不同,相析出時促使晶格常數(shù)變化從而發(fā)生宏觀尺寸微小變化。表1給出了2024Al合金中幾種常見析出相的比容。這組數(shù)據(jù)不能定量給出析出相析出之后材料尺寸變化,但是可以預(yù)見其規(guī)律會是很復(fù)雜的。析出相Al2Cu、Al2CuMg本身比容小,有引起試樣尺寸縮小的趨勢,但同時Al中溶質(zhì)濃度的變化也會引起體積膨脹,有引起試樣尺寸增加的趨勢,所以,鋁合金的相穩(wěn)定性與合金成分的微小變化、合金的預(yù)處理等因素有關(guān)。即便是同樣的2024Al合金,因預(yù)處理?xiàng)l件不同或者成分的偏差均會導(dǎo)致析出相種類、數(shù)量和析出順序不同,因此會引起材料宏觀的尺寸增大,或者減小。

圖8冷熱循環(huán)條件下儀表級SiC/2024Al復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料尺寸穩(wěn)定性對比

Fig.8Comparisons of dimensional stability of instrument-grade SiC/2024Al composites and traditional materials during thermal-cold cycling

圖9ZL107鋁合金和SiC/2024Al復(fù)合材料臺體集總傳遞函數(shù)[31]

Fig.9Lumped transfer functions of ZL107 aluminum alloy (a) and SiC/2024Al composites (b) (f—frequency)[31]

5 SiC/2024Al復(fù)合材料的應(yīng)用及其效果

在20世紀(jì)50年代,美國和前蘇聯(lián)等國在慣性儀表的結(jié)構(gòu)零件中主要使用鋁合金,20世紀(jì)60年代開始采用Be材,1985年出現(xiàn)儀表級SiC/2024Al復(fù)合材料用于導(dǎo)彈慣性測量元件的報導(dǎo),目前在高精度陀螺儀等慣性器件上仍然以使用Be材為主。

圖10為儀表級SiC/2024Al復(fù)合材料應(yīng)用于高精度液浮陀螺儀的零件照片,這種液浮陀螺樣機(jī)的精度測試表明,“最高精度已經(jīng)優(yōu)于國外Be陀螺的精度水平”。這一結(jié)果從實(shí)踐上驗(yàn)證了SiC/2024Al復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計原理與方法的正確性,證明了采用儀表級SiC/2024Al復(fù)合材料在慣性儀表上提高精度的可行性和有效性。

圖10儀表級SiC/2024Al復(fù)合材料陀螺儀零件

Fig.10Instrument grade SiC/2024Al composites gyroscope parts

圖11為光學(xué)級SiC/2024Al復(fù)合材料制造的高分辨率光學(xué)相機(jī)零件照片,替代了因瓦合金。因瓦合金屬于超低膨脹精密合金,其極低的膨脹系數(shù)(約為1.5×10-6K-1)是一大特色,但是,過低的熱膨脹系數(shù)與轉(zhuǎn)動軸承、禁錮螺釘(12×10-6~13×10-6K-1)并不匹配,在溫度變化過程中容易引起錯配應(yīng)力,改變裝配間隙和裝配應(yīng)力。另外,該材料的比剛度低,僅為17.1 GPa·cm3/g,遠(yuǎn)低于光學(xué)級復(fù)合材料(51.0 GPa·cm3/g),這對沖擊振動下的精度保持是不利的。采用光學(xué)級SiC/2024Al之后,直接減重18.9 kg,成像精度提高20%,顯示出復(fù)合材料穩(wěn)定性設(shè)計的有效性。

圖11SiC/2024Al復(fù)合材料光學(xué)相機(jī)零件

Fig.11SiC/2024Al composites optical camera parts

圖12為儀表級SiC/2024Al復(fù)合材料替代鈦合金用于電推系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的零件照片。SiC/2024Al復(fù)合材料與鈦合金相比,密度低35%,彈性模量高36%,導(dǎo)熱系數(shù)高22倍,在空間結(jié)構(gòu)上顯示出優(yōu)異的使用性能。在本機(jī)械裝置中較鈦合金構(gòu)件減重35%,輸出力矩提升53%,諧振頻率增加十幾倍,消除了與衛(wèi)星諧振的可能性。

圖12儀表級SiC/2024Al復(fù)合材料空間推進(jìn)器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件

Fig.12Instrument-grade SiC/2024Al composites steering parts for spacecraft propulsion

6 結(jié)論

材料尺寸穩(wěn)定性是有別于溫度穩(wěn)定、熱穩(wěn)定的物理現(xiàn)象,廣泛存在于精密儀器、精密軸承等零件中,影響著設(shè)備的精度及其可靠性。

冷熱循環(huán)實(shí)時檢測法評價材料在無應(yīng)力載荷下的尺寸穩(wěn)定性快捷可靠,采用該方法發(fā)現(xiàn)了鋁合金相穩(wěn)定現(xiàn)象,為復(fù)合材料穩(wěn)定化設(shè)計和材料穩(wěn)定化熱處理工藝提供了指導(dǎo);本研究基于相穩(wěn)定、組織穩(wěn)定、微觀應(yīng)力穩(wěn)定以及膨脹系數(shù)匹配等基本原理的研究,研制成功儀表級、光學(xué)級SiC/Al復(fù)合材料,在實(shí)際應(yīng)用中顯示出顯著的精度提升效果。

材料尺寸穩(wěn)定性是材料的一項(xiàng)內(nèi)稟特性,影響因素十分復(fù)雜,而長期以來的基礎(chǔ)研究十分薄弱,基本原理并不清晰,材料尺寸穩(wěn)定性研究在諸多的結(jié)構(gòu)材料上屬于空白,在微觀缺陷作用機(jī)制、組織演化、析出效應(yīng)、合金成分精細(xì)化設(shè)計等方面的研究勢在必行。

來源--金屬學(xué)報