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颗粒增强金属基复合材料动态力学性能的实验研究与数值模拟

张江涛  
【摘要】: 颗粒增强金属基复合材料(Particle Reinforced Metal Matrix Composites,PRMMCs)具有高比刚度、比强度、良好的抗磨擦和抗冲击等优异的力学性能,在航天航空、汽车、电子以及国防等诸多领域有广泛的应用前景。PRMMCs在冲击载荷作用下的变形损伤机理和动态力学性能的研究具重要的科学价值和工程应用指导意义。 本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法研究了PRMMCs的动态力学性能,建立了预测PRMMCs动态力学性能的计算细观力学模型,重点研究了颗粒的形状、分布、方向和界面状况等因素对PRMMCs的变形损伤机理和动态力学性能的影响。 论文首先对SiC颗粒增强铝基复合材料的变形损伤机理和动态力学性能进行了实验研究。SiC颗粒增强铝基复合材料采用放电等离子烧结(Spark PlasmaSintering,SPS)技术制备,并用分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson PressureBar,SHPB)装置测试其动态力学性能。主要研究了粉末混合工艺、颗粒大小及含量对复合材料在准静态和动态加载条件下的变形损伤机理和力学性能的影响。研究发现粉末混合工艺对复合材料的微观结构、界面状况和力学性能有重要影响。材料屈服强度、动态流动应力和应变率敏感性随颗粒含量的增加而增加。在冲击载荷作用下,由于颗粒破坏、界面脱粘以及绝热升温的影响,材料在发生较大压缩变形时会出现应变软化。随颗粒尺寸的减小,材料的屈服强度和动态流动应力增加,材料的应变率敏感性降低,发生应变软化时的应变减小。 在实验研究的基础上,论文提出了两种建立计算细观力学模型的方法,即虚拟随机分布多颗粒模型和基于PRMMCs的SEM图片建立模型,并分别用这两种模型预测了PRMMCs的变形损伤机理和动态力学性能。为了研究界面对材料性能的影响,分别采用了完美界面模型、独立界面层模型和耦合界面节点模型对界面进行模拟。在拉伸失效分析模型中分别采用了单元失效方式和节点耦合失效方式模拟裂纹的扩展。 利用虚拟随机分布多颗粒模型,首先通过大量的数值模拟,分别比较了动态压缩时不同界面计算模型的预测结果和动态拉伸时不同断裂失效方式计算模型的预测结果,研究了网格尺寸、界面强度、模型所含颗粒的数量和颗粒分布对计算结果的影响。随后通过与实验结果的比较,分析了各种细观结构模型和材料模型的有效性。研究结果表明,在动态压缩加载条件下,采用弹性夹杂模型时预测的PRMMCs的流动应力偏高,而采用Johnson-Holmquist陶瓷材料模型时,各种有限元模型预测的PRMMCs的流动应力与实验结果基本吻合。基于SEM图片建立的计算模型中颗粒形状不规则,颗粒对基体约束较强,预测得到的PRMMCs的初始屈服强度和流动应力比采用规则形状夹杂模型高。在动态拉伸载荷条件下,各种模型都能较好的预测材料的弹性性质和初始屈服应力,能够较好的反映界面性质和颗粒分布对断裂面形貌的影响。 论文最后用具有完美界面的随机分布多颗粒模型分析了颗粒的含量、形状和方向性对PRMMCs的变形损伤机理和动态压缩力学性能的影响。研究表明复合材料的屈服强度、动态流动应力和应变率敏感性随颗粒体积含量的增加而增加。带角的颗粒增强效果较强;颗粒的长轴方向越接近加载方向,复合材料的强度越高,在大变形时颗粒损伤也越严重,材料的应变硬化和应变率敏感性就越低。颗粒的长轴沿垂直于加载方向的模型具有较高的应变率敏感性和强度。


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