论文摘要
增强体构型分布是影响金属基复合材料力学与物理性能的重要因素。本文采用有限元仿真技术,对增强体呈网状分布的Si Cp/Al复合材料进行变形、断裂行为模拟、预测了复合材料的力学性能,采用试验对模拟结果进行了初步验证,结果表明,构建的三维模型可应用于增强体网状分布构型的复合材料的性能预测、构型设计和优化。对颗粒均匀分布的相同颗粒体积分数复合材料拉伸行为模拟发现,复合材料的加工硬化率随颗粒尺寸减小而增大,屈服强度随颗粒尺寸减小而提高。这是由于在复合材料变形过程中,小尺寸颗粒周围的基体中可产生更高密度的位错,基体中的应力水平提高,进而提高了复合材料的强度。颗粒直径1μm的复合材料中,基体与颗粒的平均应力分别为1050 MPa和303 MPa,远高于颗粒直径20μm的复合材料（735 MPa和268 MPa）。然而,颗粒尺寸增大,颗粒缺陷增加,其断裂强度下降。因此随颗粒尺寸增大,裂纹萌生的形式由近界面区基体失效转变为颗粒开裂。增强体长径比在5～10区间时,复合材料的弹性模量和屈服强度变化较快。长径比为20:1时,复合材料弹性模量和屈服强度（90.9 GPa和324 MPa）均高于长径比1:1的复合材料（85.9 GPa和299 MPa）。对增强体网状分布（网状构型）的复合材料拉伸行为模拟发现,增强体连续度是影响复合材料性能的关键因素。在增强体局部体积分数较高的情况下,增强体的承载能力提高,复合材料的模量和强度随之提高。增强体局部体积分数由0.30增加到0.57时,平行于拉伸方向的网络层（Pa W）内的Si C颗粒承担的应力从～500 MPa增加到750-1000 MPa。网状构型复合材料的弹性模量89.5GPa、屈服强度315 MPa均高于增强体均匀分布复合材料。然而局部体积分数提高到>0.38时,复合材料脆性断裂倾向显著提高。颗粒形状对网状构型复合材料性能的影响,可归结为颗粒尖锐程度对应力集中的影响。尖锐的六面体颗粒在网络内部造成较高的应力集中,因此富增强体网络内的应力水平较高,Si C颗粒承担了更多的载荷。这对复合材料的模量和屈服强度有益。然而应力集中也促使颗粒更早的开裂,这将恶化材料的延伸率。长径比对网状构型复合材料性能的影响则呈现出一种竞争关系:一方面增加长径比将削弱增强体的连续度,另一方面大长径比的晶须承载能力高于颗粒。因此随着增强体长径比的增加,网状构型复合材料的弹性模量和屈服强度呈现出先减小再增加的变化趋势。此外,长径比由1:1增加到10:1,网状构型复合材料延伸率由4.7%增加到了6.5%。说明通过增加长径比来提高网状构型设计的增强效果是一种可行的办法。实验证明,较厚的网络厚度将导致基体软相尺寸降低、削弱合金基体的变形能力,使复合材料易于发生脆性断裂。此外,较厚的网络厚度情况下,裂纹扩展时偏转角度降低,微裂纹聚合所需自由能降低。一部分基体软相中,能够观察到明显的塑性变形特征,而另一部分则没有该特征。说明元胞内基体的变形是不均匀的。这意味着复合材料变形过程中,元胞间的变形是相互协调且相互制约的。本文中实验结果与仿真结果在很多方面是吻合的:网状构型复合材料的强度模量提高而延伸率下降;裂纹优先在Pa W萌生,当外加载荷继续增大,垂直于拉伸方向的网络层（Pe W）中随后出现微裂纹并易于汇聚,这也侧面验证了Pa W内颗粒能够承担更大的载荷;Pa W内的微裂纹受到了基体合金的钝化作用;I型裂纹主导了材料的损伤行为;主裂纹由Pe W扩展到Si C/Al–Al“界面”。这些现象表明本课题的仿真技术是可靠的。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 高翔
导师: 张学习
关键词: 复合材料,有限元模拟,网状构型,力学性能,强化机制
来源: 哈尔滨工业大学
年度: 2019
分类: 工程科技Ⅰ辑
专业: 材料科学
单位: 哈尔滨工业大学
分类号: TB333
DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005050
总页数: 154
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