[发明专利]一种金属薄膜材料流动应力及流动应力-应变曲线的测定方法

说明书

本发明提供一种金属薄膜材料流动应力及流动应力‑应变曲线的测定方法，属于热/力模拟实验领域。本发明将待测金属薄膜材料沉积在与其成分相同或相近的体积材料上得到试样，将两个试样以待测金属薄膜相接触的方式叠放封焊在一起，形成压缩试样，进行压缩实验；通过测量某高度压下率压缩样品中金属薄膜的直径，得到待测金属薄膜在对应高度压下率下的流动应力。对压缩试样进行不同高度压下率的等温恒应变速率压缩实验，通过测量系列高度压下率的压缩样品中的薄膜直径和厚度，分别得到待测金属薄膜的系列流动应力和应变，建立待测金属薄膜材料的流动应力及流动应力‑应变曲线。本发明克服了金属薄膜因太薄不能直接加工成压缩实验所需试样尺寸的难题。

技术领域

本发明属于热/力模拟实验技术领域，尤其涉及一种金属薄膜材料流动应力及流动应力-应变曲线的测定方法。

背景技术

SiC_f/Ti复合材料以其高比强度、高比刚度以及良好的耐高温性能，成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的重要候选结构材料。SiC_f/Ti复合材料最常用的制备方法是：先将SiC_f纤维通过PVD工艺沉积一层厚度为100μm以内的薄膜钛合金涂层，获得SiC_f/Ti先驱丝；然后将SiC_f/Ti先驱丝按六方排列堆叠装进钛合金包套内进行真空封焊，获得SiC_f/Ti预制体；最后对SiC_f/Ti预制体进行热压(HP)或热等静压(HIP)致密化，获得全致密的SiC_f/Ti复合材料。

由SiC_f/Ti预制体制备出全致密的SiC_f/Ti复合材料是通过SiC_f/Ti先驱丝上的PVD薄膜钛合金在HP或HIP过程中的塑性流动和蠕变来实现的。因此，通过HP或HIP工艺能否将SiC_f/Ti预制体实现完全致密化，将取决于PVD薄膜钛合金的塑性变形能力以及变形抗力大小，而PVD薄膜钛合金的塑性变形能力和变形抗力大小与HP或HIP工艺选择密切相关，合理的HP或HIP工艺可使PVD薄膜钛合金呈现出大的塑性变形能力和小的变形抗力，这将有助于SiC_f/Ti预制体的完全致密化。为了制定合理的HP或HIP工艺，就必须事先研究和弄清楚PVD薄膜钛合金在不同温度和应变速率下的塑性流动行为。为此，需要测试出PVD薄膜钛合金在不同温度、不同应变速率和不同应变下的流动应力及流动应力-应变曲线。

采用传统的试错法进行HP或HIP工艺设计和优化，耗时费力，成本高，无法适应高效、低成本生产的需求。采用有限元数值模拟技术来分析和优化SiC_f/Ti预制体的HP或HIP工艺将有利于解决这一问题。但要通过有限元数值模拟技术来优化HP或HIP工艺，需要建立变形材料的流动应力本构关系。为此，也需要测试出PVD薄膜钛合金在不同温度、不同应变速率和不同应变下的流动应力及流动应力-应变曲线。另外，流动应力及流动应力-应变关系曲线也是正确选择HP或HIP设备吨位的主要依据。

综上所述，测试PVD薄膜钛合金在不同温度、不同应变速率和不同应变下的流动应力及流动应力-应变曲线是计算PVD薄膜钛合金变形抗力、合理制定SiC_f/Ti预制体HP或HIP工艺、正确选择HP或HIP设备吨位、准确构造PVD薄膜钛合金流动应力本构关系，以及采用有限元技术来优化HP或HIP工艺的基础数据。

对于体积材料，一般采用压缩实验或拉伸实验来获得该材料在不同温度、不同应变速率和不同应变下的流动应力数据及流动应力-应变曲线，而且这些流动应力数据及流动应力-应变曲线可由实验设备所配置的专用数据采集软件直接输出。但对PVD薄膜材料，由于其厚度尺寸太小，无法直接将其加工成压缩实验或拉伸实验所需的试样尺寸(如，常用的压缩试样尺寸为Φ8×12mm)，故不能直接采用常规的压缩实验或拉伸实验来获得金属薄膜材料的流动应力数据及流动应力-应变曲线。

因此，提供一种适合金属薄膜材料的流动应力及流动应力-应变曲线的测试方法十分必要且具有重要的应用价值。