顆粒復(fù)合體力學(xué)行為的模擬研究.pdf

1、隨著顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在工程上的廣泛應(yīng)用,要求人們對其力學(xué)性能、變形與強(qiáng)化機(jī)制等問題進(jìn)行深入的研究,因此,需要建立科學(xué)、合理的力學(xué)模型為顆粒增強(qiáng)材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)性能分析提供必要的參考和重要的理論依據(jù),通過模擬探討新的材料設(shè)計和性能改進(jìn)的途徑。
　　 本文采用基體平均擾動應(yīng)變的方法,確定了擾動應(yīng)變與多種粒子本征應(yīng)變值之間的歸一化關(guān)系,建立了一個Eshelby顆粒復(fù)合體力學(xué)分析模型,推導(dǎo)并修訂了顆粒受力的正確表達(dá)式,使用

2、了全張量表達(dá),得出了多重粒子強(qiáng)化復(fù)合材料順度張量的完整表達(dá)式。在模擬復(fù)合材料非線性階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線時,提出引入基體、顆粒復(fù)合體割線模量、切線模量的方法和等效泊松比的計算,借用顆粒復(fù)合體彈性順度張量表達(dá)式,實現(xiàn)了Eshelby分析模型關(guān)于顆粒復(fù)合體屈服強(qiáng)度的計算和屈服附近應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系的預(yù)測。并以此模型來研究基體經(jīng)不同處理的兩種SiCp/Al-2618復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、材料中各組分的受力情況以及粒子的幾何因素對材料力學(xué)性能的

3、影響。并將模擬結(jié)果與實驗值進(jìn)行了比較,來探討顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理,研究顆粒復(fù)合體的力學(xué)行為。
　　 建立了有限元軸對稱單胞模型和平面應(yīng)變多顆粒模型,利用ANSYS軟件,設(shè)定顆粒和基體之間為理想連結(jié)狀態(tài)并限定合理邊界條件,采用位移加載求解復(fù)合材料平均應(yīng)力的方法,實現(xiàn)了應(yīng)力-應(yīng)變曲線模擬并與實驗值進(jìn)行了比較。同時,研究了顆粒的幾何因素對金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,僅計算平面應(yīng)變模型的橫向應(yīng)力-應(yīng)變曲線用來研究顆粒復(fù)合體

4、的力學(xué)行為,以便于對粒子形狀、分布的影響進(jìn)行研究,為復(fù)合材料的顯微組織優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。
　　 設(shè)計了兩種工藝處理霧化沉積15v％SiCp/Al-2618復(fù)合材料作為模擬對比的軟基體和硬基體模型材料,系統(tǒng)測定了其力學(xué)性能、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和顯微組織分析作為本模擬工作的驗證和修訂參考依據(jù)。
　　 研究表明,對于經(jīng)不同處理的復(fù)合材料應(yīng)采用不同的模型進(jìn)行模擬研究。時效硬化基體的復(fù)合材料應(yīng)采用切線模量Eshelby顆粒復(fù)

5、合體力學(xué)模型方法來研究其力學(xué)性能,而單相塑性基體的復(fù)合材料則應(yīng)采用割線模量Eshelby顆粒復(fù)合體力學(xué)模型法;有限元單胞模型對于硬基體復(fù)合材料的應(yīng)力.應(yīng)變曲線的模擬是可行的,但不適于模擬軟基體復(fù)合材料。
　　 透射電鏡對15v％SiCp/Al-2618復(fù)合材料位錯密度的觀察表明,位錯密度的微觀增強(qiáng)機(jī)制對此復(fù)合材料是微不足道的;彌散作用、細(xì)化晶粒對復(fù)合材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)分別僅為0.38MPa和7MPa,說明基體的微觀強(qiáng)化效果不明顯。通

6、過對發(fā)生顆粒斷裂的復(fù)合材料顯微組織的觀察,表明顆粒在復(fù)合材料應(yīng)變過程中承擔(dān)了很大的載荷;同時用兩種不同的模型模擬并與實驗曲線進(jìn)行比較表明,顆粒的存在并沒有提高基體的強(qiáng)度,而是顆粒在復(fù)合材料應(yīng)變過程中承擔(dān)了大部分的載荷,得出了載荷傳遞機(jī)制是該顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的主要強(qiáng)化機(jī)制。并且軟基體復(fù)合材料是以應(yīng)變失配機(jī)制來進(jìn)行載荷傳遞的;而對于硬基體復(fù)合材料,載荷傳遞機(jī)制主要依賴于增強(qiáng)粒子對基體應(yīng)變的阻礙作用來實現(xiàn)。
　　 采用有限元軸對稱模型

7、和平面應(yīng)變模型的模擬研究得出,顆粒形狀對復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度有重要影響。在所研究的基本形狀粒子中,柱狀顆粒具有最好的強(qiáng)化效果;三角形、四邊形等尖銳顆粒便于載荷傳遞,表現(xiàn)出比球形更好的強(qiáng)化效果。在所模擬的多邊形粒子形狀中,當(dāng)多變形顆粒的邊數(shù)大于5時,材料的屈服強(qiáng)度受邊數(shù)的增加影響不大但略有降低。隨著粒子長徑比的逐漸增大,粒子中的受力逐漸增大,復(fù)合材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度也逐漸增大。與Eshelby模型相比,FEM模型對于顆粒長徑比的變化更明

8、顯,表明顆粒的形狀對應(yīng)變約束效應(yīng)的貢獻(xiàn)要大于對錯配應(yīng)變的貢獻(xiàn)。
　　 通過用兩種模型對具有不同彈性模量增強(qiáng)粒子的模擬可以看出,彈性模量高的增強(qiáng)顆粒在復(fù)合材料應(yīng)變過程中所承擔(dān)的載荷也較大,更利于載荷傳遞,因此其強(qiáng)化效果也更好;隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的逐漸增大,增強(qiáng)粒子彈性模量的作用更加顯著。
　　 隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度也逐漸增大。與FEM模型相比,:Eshelby模型受顆粒體積分?jǐn)?shù)變化的影響更明顯,表明顆粒

9、的體積分?jǐn)?shù)對錯配應(yīng)變的貢獻(xiàn)要大于對應(yīng)變約束效應(yīng)的貢獻(xiàn)。在模擬增強(qiáng)粒子的受力時,用FEM模型預(yù)測出的粒子受力隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,而用Eshelby模型預(yù)測的結(jié)果隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而減小,這是由于模型建立的原理不同所造成的,經(jīng)分析,Eshelby模型的預(yù)測更為合理。
　　 模擬研究得出,顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中強(qiáng)化粒子的幾何因素對材料性能有重要影響,影響規(guī)律非常敏感地依賴于基體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀及粒子與基體彈塑性性能的匹配