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锌铝基复合材料界面微观应力场分析

李磊  
【摘要】:近年来,有限元计算细观力学在复合材料应力传递机制的研究中得到了广泛应用。有限元计算细观力学的最大优点是它能够反映复合材料较为真实的细观结构特征。复合材料在不同组分的结合处将形成界面或界面层,材料的物理力学性能受界面影响很大,因而界面的研究一直是人们关注的重点。对复合材料界面问题的研究虽然很多,但在锌铝基复合材料方面的研究很少。 本文的主要目的是通过有限元对锌铝基复合材料界面微观应力场进行研究,建立单向拉伸(或压缩)情况下的分析模型,计算界面处在拉应力与压应力两种情况下的基体和填充体的应力分布。通过计算结果与实验结果相比较,说明计算模型的正确性,进而分析复合材料破坏的根本原因。 分析了以ZA27为基体的Al_2O_3颗粒增强和钢球增强复合材料在拉伸与压缩时界面应力场,及沿界面的裂纹对应力场的影响。 拉伸应力作用下复合材料经常于界面处产生脱粘,脱粘位置一般发生在极区。压缩时裂纹的产生与扩展机理同拉伸不一样,它不是主拉伸应力的作用,其裂纹的产生与扩展,可能是基体在塑性流变过程中大量的位错在增强相处受阻塞积的结果,也可能是基体中的气孔被拉长形成的。 拉伸应力场下沿界面的裂纹附近各应力场变化也很大,非裂纹尖端应力下降,而裂纹尖端有应力集中现象,裂纹在强应力场的作用下极易沿尖端扩展。压缩应力场下沿界面的裂纹各应力场变化不大,von Mises应力和法向应力对于近界面基体裂纹情况仅在极区附近稍有影响,其应力集中的强度远比近界面粒子裂纹情况大得多。


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