高體積分?jǐn)?shù)金屬基復(fù)合材料SiCp-2024Al動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究.pdf

1、高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于其具有高比剛度、高比強(qiáng)度、低密度和優(yōu)越的熱學(xué)性能，使得其被廣泛地應(yīng)用于航空航天、軍工、裝配和電子封裝等領(lǐng)域。其中，在很多領(lǐng)域涉及到動(dòng)態(tài)載荷的作用，而材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷作用下的力學(xué)性能存在著顯著的差異。研究其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其機(jī)理，為該類復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)與開發(fā)以及工程應(yīng)用等方面具有重要意義。
　　本文針對(duì)高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料SiCp/2024Al的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模

2、擬研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　分別采用霍普金森壓桿(SHPB)動(dòng)態(tài)壓縮加載裝置和Instron材料試驗(yàn)機(jī)研究了鑄造、退火和T6熱處理的三種顆粒體積分?jǐn)?shù)40％、45%和50%SiCp/2024Al復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能，其中應(yīng)變率測(cè)試范圍為0.001/s-2500/s。由于高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有一定的脆性，通常的SHPB加載方法表現(xiàn)出一定的局限性。為此，采用了波形整形的方法，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較與分析，選

3、擇尺寸為Ф5mm×1mm的黃銅墊片作為整形器，以實(shí)現(xiàn)試件在變形過程中處于應(yīng)力平衡和常應(yīng)變率變形狀態(tài)，滿足了SHPB工作原理應(yīng)力和應(yīng)變均勻性的假設(shè)，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
　　準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯不同的變形行為。其中，與準(zhǔn)靜態(tài)相比，高應(yīng)變率下復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的延伸率；顆粒體積分?jǐn)?shù)為40%的復(fù)合材料在高應(yīng)變下從腰鼓狀變形逐漸至剪切破壞，具有較大的延伸率和較好的塑性，而顆

4、粒體積分?jǐn)?shù)為45%和50%的復(fù)合材料則從剪切破壞到劈裂破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性；結(jié)合文獻(xiàn)中體積分?jǐn)?shù)40%以下的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在高應(yīng)變率不發(fā)生破壞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于SiCp/2024Al復(fù)合材料，40%左右顆粒體積分?jǐn)?shù)為該復(fù)合材料由塑性至脆性特性轉(zhuǎn)變的臨界體積分?jǐn)?shù)。
　　通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到了SiCp/2024Al復(fù)合材料在應(yīng)變率范圍為0.001-2500/s的應(yīng)力應(yīng)變曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)變率對(duì)復(fù)合材料的流

5、動(dòng)應(yīng)力有明顯的影響。其中，顆粒體積分?jǐn)?shù)為40%的復(fù)合材料的流動(dòng)應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增大而提高，而顆粒體積分?jǐn)?shù)為45%和50%復(fù)合材料的流動(dòng)應(yīng)力則是隨著應(yīng)變率的增大先增大后減小，這一趨勢(shì)可能是由于高應(yīng)變率下絕熱壓縮過程中生成的熱所引起的軟化效應(yīng)所導(dǎo)致的，本文還討論了顆粒體積分?jǐn)?shù)、熱處理、應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化對(duì)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。
　　通過對(duì)壓縮試件斷口的SEM照片分析，觀察到了基體在高應(yīng)變率下發(fā)生熔化的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可能是由于絕

6、熱壓縮是塑性變形轉(zhuǎn)換生成的熱所引起的。結(jié)合此現(xiàn)象，以及試件的宏觀變形和不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)果表明，高應(yīng)變率下，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料SiCp/2024Al的變形機(jī)理為：低體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料是由基體變形承受、傳遞載荷，而高顆粒體積分?jǐn)?shù)則是由顆粒相接觸形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)承受載荷。
　　針對(duì)上述動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。其中，利用有限元軟件LS-DYNA建立了含有不同長(zhǎng)徑比橢球形顆粒的二維軸對(duì)稱和三維的單胞模型，根據(jù)SEM照片

7、中發(fā)現(xiàn)熔化現(xiàn)象，為了分析和比較熱軟化效應(yīng)的影響，本文分別采用了Cowper-Symonds和Johnson-Cook材料模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，帶有溫度軟化的Johnson-Cook模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，還利用從隱式到顯示計(jì)算分析了動(dòng)態(tài)沖擊載荷下的熱殘余應(yīng)力的影響。
　　在此基礎(chǔ)上，利用有限元LSDYNA軟件計(jì)算分析了不同顆粒體積分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)徑比和顆粒形狀等對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。數(shù)值