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1 指南 1

1.1 概述 1

1.1.1 引言 1

1.1.2 目的 1

1.1.3 适用范围 2

1.1.3.1 第1章指南 2

1.1.3.2 第2章金属基复合材料设计指南 2

1.1.3.3 第3章材料性能数据 3

1.1.4 文档的使用和限制 3

1.1.4.1 信息来源 3

1.1.4.2 数据使用和应用指南 3

1.1.4.3 强度性能和许用值术语 4

1.1.4.4 参考文献的使用 4

1.1.4.5 商标和专利产品名称的使用 4

1.1.4.6 毒性、健康危害与安全 4

1.1.4.7 消耗臭氧层化学制品 4

1.1.5 审批程序 5

1.1.6 符号、缩写和单位制 5

1.1.6.1 符号与缩写 5

1.1.6.1.1 组分性能 12

1.1.6.1.2 单层与层合板 13

1.1.6.1.3 下标 14

1.1.6.1.4 上标 15

1.1.6.1.5 首字母缩写词 16

1.1.6.2 材料体系编码 18

1.1.6.3 单位制 19

1.1.7 定义 20

参考文献 33

1.2 金属基复合材料（MMC）简介 34

1.2.1 引言 34

1.2.2 MMC体系 34

1.2.2.1 体系定义 34

1.2.2.2 与其他材料／复合材料的区别 35

1.2.3 基体材料 35

1.2.3.1 基体材料的作用 35

1.2.3.2 基体材料的形式 36

1.2.3.3 基体材料的类型 36

1.2.3.3.1 铝 37

1.2.3.3.2 铜 38

1.2.3.3.3 铁 39

1.2.3.3.4 镁 39

1.2.3.3.5 镍 39

1.2.3.3.6 钛 39

1.2.4 增强体材料 39

1.2.4.1 增强体种类 39

1.2.4.2 增强体的作用 40

1.2.4.3 增强体成分 40

1.2.5 增强体涂层 40

1.2.5.1 涂层的作用 40

1.2.5.2 涂层的类型 40

1.2.6 制造过程 41

1.2.6.1 概述和总说明 41

1.2.6.2 组合和固结 41

1.2.6.2.1 粉末共混合固结 41

1.2.6.2.2 固结扩散连接 41

1.2.6.2.3 气相沉积 42

1.2.6.2.4 挤压铸造和压力浸渗 42

1.2.6.2.5 喷射沉积 42

1.2.6.2.6 浆料浇铸（复合铸造法） 42

1.2.6.2.7 反应合成（原位复合材料） 43

1.2.6.3 热机械加工 43

1.2.6.4 近净形制备工艺 43

1.2.7 产品形式 43

1.2.7.1 中间体 43

1.2.7.2 标准 43

1.2.7.3 选择性增强体组分 43

1.2.8 二次加工工艺 43

1.2.8.1 概述与总说明 43

1.2.8.2 成形 43

1.2.8.3 加工 43

1.2.8.4 连接 43

1.2.8.4.1 MMC连接方法的定性评估 43

1.2.8.4.2 连接MMC时存在的潜在问题 45

1.2.8.4.3 可选连接方法的分类和讨论 46

1.2.8.5 热处理 51

1.2.8.6 涂层和表面处理 51

1.2.9 质量保证 51

1.2.9.1 组分 51

1.2.9.2 预制体 51

1.2.9.3 成品 51

1.2.9.4 统计过程控制 51

1.2.10 修理 51

1.2.10.1 加工中 51

1.2.10.2 服役中 51

参考文献 51

1.3 材料表征实验方案 53

1.3.1 引言 53

1.3.1.1 目标 53

1.3.1.2 数据分类 53

1.3.2 要求 53

1.3.2.1 试验方法选择 53

1.3.2.2 实验条件的选择 54

1.3.2.3 试样数和采样 54

1.3.2.4 试样准备 55

1.3.2.5 数据文档要求清单 58

1.3.3 材料谱系 61

1.3.3.1 增强体 61

1.3.3.2 增强体尺寸 61

1.3.3.3 增强体涂层 61

1.3.3.4 基体 61

1.3.3.5 中间形态表征 61

1.3.3.5.1 金属化纤维 62

1.3.3.5.2 单带 62

1.3.3.5.3 单层 62

1.3.3.5.4 特殊形式 62

1.3.3.6 复合材料 62

1.3.4 连续纤维增强金属基复合材料组分材料性能 62

1.3.4.1 静态性能数据类型 62

1.3.4.1.1 筛选数据 62

1.3.4.1.2 平均值数据 62

1.3.4.1.3 完全批准数据 62

1.3.4.2 复合材料疲劳性能测试 63

1.3.4.3 复合材料热机械性能测试 64

1.3.4.4 复合材料物理性能测试 64

1.3.4.5 中间形态表征 65

1.3.4.5.1 金属化纤维 65

1.3.4.5.2 单带 65

1.3.4.5.3 单层 65

1.3.4.5.4 特殊形式 65

1.3.4.6 组分表征 65

1.3.4.6.1 纤维性能测试 65

1.3.4.6.2 基体 65

1.3.5 非连续增强金属基复合材料组分材料性能 66

1.3.5.1 筛选 66

1.3.5.2 完全批准数据测试要求 66

1.3.5.2.1 复合材料静态性能测试 66

1.3.5.2.2 复合材料疲劳性能测试 66

1.3.5.2.3 复合材料热机械性能测试 66

1.3.5.2.4 复合材料物理性能测试 66

1.3.5.2.5 复合材料腐蚀性能测试 66

参考文献 67

1.4 复合材料测试及分析方法 67

1.4.1 引言 67

1.4.2 连续纤维增强金属基复合材料力学性能测试方法 67

1.4.2.1 拉伸 67

1.4.2.2 压缩 67

1.4.2.3 剪切（面内） 68

1.4.2.4 疲劳 68

1.4.2.4.1 适用范围 68

1.4.2.4.2 试样设计 69

1.4.2.4.3 波形 69

1.4.2.4.4 控制模式 69

1.4.2.4.5 压缩加载 69

1.4.2.4.6 失效 69

1.4.2.4.7 数据报告 69

1.4.2.5 疲劳裂纹扩展速率 70

1.4.2.6 蠕变／应力断裂 73

1.4.2.7 销型承载拉伸 73

1.4.2.8 销型承载压缩 73

1.4.2.9 填充孔拉伸 73

1.4.2.10 开孔拉伸／缺口灵敏度 73

1.4.2.11 弯曲（三点弯曲） 73

1.4.2.12 填充孔压缩 73

1.4.2.13 纤维压出试验 73

1.4.2.13.1 背景 73

1.4.2.13.2 概述 74

1.4.2.13.3 方法描述 75

1.4.2.13.4 意义和应用 75

1.4.2.13.5 设备 75

1.4.2.13.6 压头 76

1.4.2.13.7 支撑板 77

1.4.2.13.8 声发射传感器 77

1.4.2.13.9 位移传感器 77

1.4.2.13.10 用显微镜／照相机进行远距离观察 78

1.4.2.13.11 测试试样准备 78

1.4.2.13.12 实验程序 79

1.4.2.13.13 环境影响 80

1.4.2.13.14 结果分析 81

1.4.2.14 显微硬度 83

1.4.2.15 热机械疲劳（TMF）（同相位／反相位） 83

1.4.2.15.1 适用范围 83

1.4.2.15.2 试样设计 83

1.4.2.15.3 温度控制和测量 83

1.4.2.15.4 波形 84

1.4.2.15.5 相位 84

1.4.2.15.6 实验前测量 85

1.4.2.15.7 开始试验 86

1.4.2.15.8 数据报告 86

1.4.2.16 残余强度和刚度 86

1.4.2.17 承载疲劳 87

1.4.2.18 开孔疲劳 87

1.4.2.19 充填孔疲劳 87

1.4.2.20 腐蚀疲劳 87

1.4.2.21 应力腐蚀开裂 87

1.4.2.22 摩擦 87

1.4.2.23 冲击 87

1.4.2.24 阻尼 87

1.4.3 非连续增强金属基复合材料的力学性能实验方法 87

1.4.3.1 拉伸 87

1.4.3.2 压缩 87

1.4.3.3 剪切（面内） 87

1.4.3.4 断裂韧性 87

1.4.3.5 疲劳 87

1.4.3.6 疲劳裂纹扩展 87

1.4.3.7 蠕变／应力断裂 87

1.4.3.8 腐蚀疲劳 87

1.4.3.9 应力腐蚀开裂 88

1.4.3.10 摩擦 88

1.4.3.11 冲击 88

1.4.3.12 阻尼 88

1.4.4 物理性能测试方法 88

1.4.4.1 密度 88

1.4.4.2 纤维体积分数 88

1.4.5 显微结构分析技术 88

1.4.5.1 钛基复合材料 88

1.4.6 化学分析技术 90

1.4.6.1 碳和硫的分析 90

1.4.6.2 惰性气体熔融法测定氧和氮 91

1.4.7 无损评价试验方法 92

1.4.8 环境影响试验方法 92

1.4.8.1 腐蚀及腐蚀试验方法 92

1.4.8.1.1 中性盐雾 94

1.4.8.1.2 循环腐蚀试验 95

1.4.9 中间相和界面的试验方法 96

参考文献 96

1.5 中间形态的试验和分析方法 102

1.5.1 引言 102

1.5.2 力学性能试验方法 102

1.5.3 物理性能试验方法 102

1.5.4 显微结构分析技术 102

1.5.5 化学分析技术 102

1.5.6 无损评价试验方法 102

1.6 纤维试验和分析方法 102

1.6.1 引言 102

1.6.2 力学性能试验方法 102

1.6.2.1 拉伸试验 102

1.6.2.2 蠕变和蠕变断裂 103

1.6.2.3 弯曲应力松弛 104

1.6.3 物理性能试验方法 104

1.6.3.1 密度 104

1.6.4 显微结构分析技术 104

1.6.5 化学分析技术 104

1.6.6 环境影响试验方法 104

参考文献 104

1.7 纤维浸润剂测试和分析方法 105

1.7.1 引言 105

1.7.2 物理性能试验方法 105

1.7.3 化学分析技术 105

1.8 纤维涂层、界面、中间相的试验和分析方法 105

1.8.1 引言 105

1.8.2 力学性能试验方法 105

1.8.3 物理性能试验方法 105

1.8.4 显微结构分析技术 105

1.8.5 化学分析技术 105

1.9 基体试验和分析方法 105

1.9.1 引言 105

1.9.2 力学试验方法 106

1.9.2.1 拉伸 106

1.9.2.2 蠕变 106

1.9.2.3 应力松弛 106

1.9.2.4 疲劳 106

1.9.2.5 疲劳裂纹扩展 106

1.9.3 物理试验方法 107

1.9.3.1 密度 107

1.9.4 显微结构分析技术 107

1.9.4.1 钛合金显微结构分析技术 107

1.9.4.2 铝合金显微结构分析技术 107

1.9.5 化学分析技术 107

1.9.6 环境效应试验方法 107

参考文献 107

1.10 结构敏感性能表征 108

1.10.1 引言 108

1.10.2 机械紧固连接 108

1.10.3 胶接、钎焊和焊接连接 108

1.10.4 曲面形状 108

1.10.5 结构设计细节 108

1.10.6 过渡和其他特定区域 109

1.10.7 尺寸效应 109

1.10.8 其他主题 109

1.11 数据分析 109

1.11.1 概述 109

1.11.2 基于统计分析的材料性能计算程序 109

1.11.3 计算程序的样本 109

1.11.4 统计表 109

2 金属基复合材料设计指南 110

2.1 概述 110

2.1.1 引言 110

2.1.2 本章的目的、范围和结构 110

2.2 数据的使用 110

2.3 结构设计与分析 110

2.3.1 引言 110

2.3.1.1 分析方法的分级 111

2.3.1.2 基本概念 111

2.3.2 一般设计指南 113

2.3.3 分析方法（连续纤维增强金属基复合材料） 114

2.3.3.1 微观力学 114

2.3.3.1.1 一般关系 115

2.3.3.1.2 有效弹性性能 116

2.3.3.1.3 残余应力 120

2.3.3.1.4 纤维-基体结合强度 123

2.3.3.1.5 总体非弹性应变 127

2.3.3.2 粘塑性本构关系 130

2.3.3.2.1 轴向拉伸响应 131

2.3.3.2.2 轴向压缩响应 131

2.3.3.2.3 横向拉伸响应 131

2.3.3.2.4 横向压缩响应 131

2.3.3.3 宏观力学模型 131

2.3.3.3.1 有效弹性性质 131

2.3.3.3.2 有效强度 137

2.3.3.3.3 蠕变 148

2.3.3.3.4 多向作用 151

2.3.3.4 损伤容限 151

2.3.3.5 耐久性 151

2.3.3.6 寿命预测 151

2.3.4 设计指南（非连续纤维增强金属基复合材料） 151

2.3.4.1 微观力学 151

2.3.4.1.1 常规关系 152

2.3.4.1.2 有效弹性性能 152

2.3.4.1.3 纤维-基体结合强度 152

2.3.4.1.4 非弹性机制和损伤 152

2.3.4.2 粘塑性本构关系 152

2.3.4.2.1 拉伸行为 152

2.3.4.2.2 压缩行为 152

2.3.4.2.3 剪切行为 152

2.3.4.3 裂纹扩展行为 152

2.3.4.4 耐久性 152

2.3.4.5 寿命预测 152

参考文献 152

2.4 应用和案例研究 155

2.4.1 结构应用的组件 155

2.4.2 摩擦应用的组件 155

2.4.3 热控应用的组件 155

2.4.4 热膨胀控制的组件 155

2.4.5 其他复杂的应用 155

3 材料性能数据 156

3.1 概述 156

3.1.1 引言 156

3.1.2 本章的目的、范围以及结构 156

3.1.3 数据描述 156

3.1.3.1 性能及定义 156

3.1.3.1.1 符号 156

3.1.3.2 表格格式 156

3.1.3.3 疲劳数据 164

参考文献 165

3.2 增强体性能 165

3.2.1 引言 165

3.2.2 氧化铝纤维 165

3.2.2.1 简介 165

3.2.2.2 原始Nextel TM610纤维 166

3.2.3 硼纤维 168

3.2.4 碳化硼纤维 168

3.2.5 碳和石墨 168

3.2.6 碳化硅纤维 168

3.2.6.1 原始SCS-6纤维 168

3.2.6.2 原始和萃取的SCS-6纤维 171

3.2.6.3 SCS-6纤维 177

参考文献 180

3.2.7 钢纤维 180

3.2.8 钨纤维 180

3.2.9 其他纤维 180

3.2.10 其他增强体 180

3.3 基体材料的性能 180

3.3.1 引言 180

3.3.2 铝 181

3.3.3 铜 181

3.3.4 镁 181

3.3.5 钛 181

3.3.5.1 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn（NASA-GRC） 181

3.3.6 其他 195

3.4 纤维涂层性能 195

3.4.1 引言 195

3.4.2 碳 195

3.4.3 二硼化钛 195

3.4.4 氧化钇 195

3.4.5 其他 195

3.5 铝基复合材料性能 195

3.5.1 引言 195

3.5.2 氧化铝／铝 195

3.5.2.1 Nextel 610／纯Al板 195

3.5.3 硼／铝 199

3.5.4 碳化硼／铝 199

3.5.5 石墨／铝 199

3.5.6 碳化硅／铝 200

3.5.7 钢／铝 200

3.5.8 钨／铝 200

3.5.9 其他／铝 200

3.6 铜基复合材料性能 200

3.6.1 引言 200

3.6.2 石墨／铜 200

3.6.3 其他／铜 200

3.7 镁基复合材料性能 201

3.7.1 引言 201

3.7.2 石墨／镁 201

3.7.3 氧化铝／镁 201

3.7.4 其他／镁 201

3.8 钛基复合材料性能 201

3.8.1 引言 201

3.8.2 碳化硅／钛 201

3.8.2.1 SCS-6/Ti-15-3 201

3.8.2.1.1 SCS-6/Ti-15-3拉伸 201

3.8.2.1.2 SCS-6/Ti-15-3疲劳 226

3.8.2.2 TRIMARC-1/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo线／纤维缠绕板 234

3.8.2.3 SCS-6/Ti-6Al-4V纤维／粉末 255

3.8.2.3.1 静态性能 256

3.8.2.3.2 SCS-6/Ti-6Al-4V纤维／粉末 259

3.8.2.3.3 疲劳 292

3.8.2.3.4 疲劳裂纹扩展 296

参考文献 300

3.8.3 氧化铝／钛 301

3.8.4 其他／钛 301

3.9 其他基体复合材料 301

附录A 典型压出试验数据 302

A1．纤维压出 302

附录B 基体材料原始数据表 304

B1．铝 304

B2．铜 305

B3．镁 305

B4．钛 306

B4.1 Ti15V3Cr3Al-3Sn（3.3.5.1节） 306

附录C 金属基复合材料的原始数据表 310

C1．铝 311

C1.1 Nextel 610/SP Al（3.5.2.1节） 311

C2．铜 321

C3．镁 321

C4．钛 322

C4.1 SiC/Ti-15-3（3.8.2.1.1 和3.8.2.1.2节） 322

C4.2 TRIMARC-1/Ti 6-2-4-2（3.8.2.2节） 345

C4.3 钛基复合板（3.8.2.3节） 365