顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(Particle Reinforced Metal Matrix Composites，PRMMCs)具有高比剛度、比強(qiáng)度、良好的抗磨擦和抗沖擊等優(yōu)異的力學(xué)性能，在航天航空、汽車、電子以及國防等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。PRMMCs在沖擊載荷作用下的變形損傷機(jī)理和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究具重要的科學(xué)價(jià)值和工程應(yīng)用指導(dǎo)意義。 本文采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了PRMMCs的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，建立了預(yù)測(cè)PRM

2、MCs動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的計(jì)算細(xì)觀力學(xué)模型，重點(diǎn)研究了顆粒的形狀、分布、方向和界面狀況等因素對(duì)PRMMCs的變形損傷機(jī)理和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。 論文首先對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的變形損傷機(jī)理和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料采用放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)技術(shù)制備，并用分離式Hopkinson壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)裝

3、置測(cè)試其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。主要研究了粉末混合工藝、顆粒大小及含量對(duì)復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載條件下的變形損傷機(jī)理和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)粉末混合工藝對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、界面狀況和力學(xué)性能有重要影響。材料屈服強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變率敏感性隨顆粒含量的增加而增加。在沖擊載荷作用下，由于顆粒破壞、界面脫粘以及絕熱升溫的影響，材料在發(fā)生較大壓縮變形時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變軟化。隨顆粒尺寸的減小，材料的屈服強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力增加，材料的應(yīng)變率敏感性降低，發(fā)

4、生應(yīng)變軟化時(shí)的應(yīng)變減小。 在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，論文提出了兩種建立計(jì)算細(xì)觀力學(xué)模型的方法，即虛擬隨機(jī)分布多顆粒模型和基于PRMMCs的SEM圖片建立模型，并分別用這兩種模型預(yù)測(cè)了PRMMCs的變形損傷機(jī)理和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。為了研究界面對(duì)材料性能的影響，分別采用了完美界面模型、獨(dú)立界面層模型和耦合界面節(jié)點(diǎn)模型對(duì)界面進(jìn)行模擬。在拉伸失效分析模型中分別采用了單元失效方式和節(jié)點(diǎn)耦合失效方式模擬裂紋的擴(kuò)展。 利用虛擬隨機(jī)分布多顆粒模型

5、，首先通過大量的數(shù)值模擬，分別比較了動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)不同界面計(jì)算模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)不同斷裂失效方式計(jì)算模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，研究了網(wǎng)格尺寸、界面強(qiáng)度、模型所含顆粒的數(shù)量和顆粒分布對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。隨后通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，分析了各種細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型和材料模型的有效性。研究結(jié)果表明，在動(dòng)態(tài)壓縮加載條件下，采用彈性夾雜模型時(shí)預(yù)測(cè)的PRMMCs的流動(dòng)應(yīng)力偏高，而采用Johnson-Holmquist陶瓷材料模型時(shí)，各種有限元模型預(yù)測(cè)的PRMMCs的流

6、動(dòng)應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合?；赟EM圖片建立的計(jì)算模型中顆粒形狀不規(guī)則，顆粒對(duì)基體約束較強(qiáng)，預(yù)測(cè)得到的PRMMCs的初始屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力比采用規(guī)則形狀?yuàn)A雜模型高。在動(dòng)態(tài)拉伸載荷條件下，各種模型都能較好的預(yù)測(cè)材料的彈性性質(zhì)和初始屈服應(yīng)力，能夠較好的反映界面性質(zhì)和顆粒分布對(duì)斷裂面形貌的影響。 論文最后用具有完美界面的隨機(jī)分布多顆粒模型分析了顆粒的含量、形狀和方向性對(duì)PRMMCs的變形損傷機(jī)理和動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響。研究表明復(fù)合材