金属基复合材料（MMC）的残余应力包括宏观残余应力和多种微观残余应力，它会严重影响MMC的力学、腐蚀和尺寸稳定等性能，因此对其进行表征非常重要。为解决中子/同步X射线衍射与传统Eshelby模型相结合表征MMC多尺度残余应力存在的计算复杂、适用性差和精度差等难题，本研究提出了基于双无应力基准样的中子衍射应变测量方案，并推导出新的多尺度残余应力计算方法，比Eshelby模型更便捷，为分析MMC残余应力提供了全新、可靠的实验表征方法。采用该方法系统研究了SiCp/2009Al-T4复合材料搅拌摩擦焊（FSW）接头的多尺度残余应力。发现金属基体和增强相中的总残余应力的宏观分布特征分别由宏观残余应力和弹性错配残余应力决定；接头区域2009Al基体中最大残余应力达到2009Al-T4合金屈服强度的69%。相关工作发表于Acta Mater. 87 (2015) 161。

　　发展多尺度计算模拟对MMC多尺度残余应力进行预测和优化控制意义十分重大。本研究首先建立了精确预测MMC多尺度残余应力的混合—部分并行（HS）多尺度有限元方法。并进一步提出了基于3D逼真数字材料模型的分层（HE）多尺度有限元方法，在保证计算精度的同时计算效率提高约3倍。相比现有多尺度方法，HS和HE两种多尺度理论能计算塑性变形产生的应力松弛，预测精度更高。同时自主开发出多尺度热力耦合有限元软件MSFESL，并系统研究了SiCp/2124Al复合材料的淬火多尺度残余应力。模拟结果与实验结果吻合良好；发现各复合相中淬火总残余应力的宏观分布形态均由宏观残余应力决定；但各复合相中淬火总残余应力的微观分布形态均由热错配残余应力决定。相关工作发表于Compos. Struct. 125 (2015) 176、Compos. Struct. 137 (2016) 18、Mater. Des.115 (2017) 364、J. Mater. Sci. Technol. 35 (2019) 824。

　　以上工作为深入分析MMC残余应力、优化MMC加工成型工艺奠定了坚实的理论基础。

图1. SiCp/2009Al复合材料FSW接头金属基体和增强相中的宏观（M）、弹性错配（eM）、热错配和塑性错配（tM+pM）和总（total）残余应力的分布。