顆粒尺寸對SiCp-Al復(fù)合材料性能的影響規(guī)律及其數(shù)值模擬.pdf

1、本文以SiCp/Al復(fù)合材料為代表，采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法從宏、細(xì)觀力學(xué)角度研究了顆粒增強金屬基復(fù)合材料中的顆粒尺寸效應(yīng)。首先采用粉末冶金方法制備了體積分?jǐn)?shù)為20％的四種不同顆粒尺寸(1μm、5μm、20μm和56μm)的SiCp/Al復(fù)合材料。然后利用掃描電鏡、透射電鏡觀察了復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。研究了含不同顆粒尺寸復(fù)合材料的室溫拉伸性能；分析了不同顆粒尺寸的引入對SiCp/Al復(fù)合材料熱膨脹行為和熱導(dǎo)率的影響規(guī)律。在試驗的

2、基礎(chǔ)上，應(yīng)用Taylor非局部應(yīng)變梯度塑性理論與有限元法相結(jié)合的方法對復(fù)合材料的顆粒尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究。采用二維多顆粒隨機分布單胞模型，對復(fù)合材料的力學(xué)行為，熱殘余應(yīng)力場、疊加殘余應(yīng)力場時復(fù)合材料力學(xué)行為等進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，并提出了一種確定復(fù)合材料屈服強度的方法。
　　試驗結(jié)果表明，復(fù)合材料的位錯密度和熱殘余應(yīng)力隨著顆粒尺寸的增大而減小。拉伸性能研究表明，顆粒尺寸對復(fù)合材料拉伸變形行為有影響。復(fù)合材料的屈服強度，抗拉強度和加工

3、硬化率均隨著顆粒尺寸的減小而增大。當(dāng)顆粒尺寸小于5μm時，這種影響非常顯著。復(fù)合材料的微屈服強度隨著顆粒尺寸的增大而先減小，而后增大。由拉伸斷口分析可知，復(fù)合材料的斷裂機制也受顆粒尺寸的影響，隨著顆粒尺寸的增加，復(fù)合材料的斷裂機制逐漸由基體的韌性斷裂向顆粒本身的斷裂為主要的斷裂損傷過渡。通過在Eshelby等效夾雜模型中考慮位錯強化和顆粒的開裂作用，可以很好的模擬顆粒尺寸對復(fù)合材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線的影響。
　　熱膨脹分析表明，增強體

4、顆粒尺寸影響SiCp/Al復(fù)合材料的熱膨脹行為。復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和隨溫度增加的速率均隨著顆粒尺寸的增大而增大。通過復(fù)合材料的熱殘余應(yīng)力和基體的局部塑性變形分析了顆粒尺寸與熱膨脹行為之間的關(guān)系。導(dǎo)熱分析表明，SiCp/Al復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著顆粒尺寸的減小而減小。
　　在有限元模型方面，采用Taylor非局部應(yīng)變梯度塑性理論研究了顆粒增強鋁基復(fù)合材料中鋁基體的彈塑性本構(gòu)方程，避免了本構(gòu)關(guān)系中含有高階項，方便了計算。建立了二維多

5、顆粒隨機分布單胞有限元模型，用以模擬復(fù)合材料的力學(xué)行為。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在趨勢上基本一致，即隨著顆粒尺寸的減小，增強體的強化效果越顯著。從而克服了傳統(tǒng)彈塑性理論無法對顆粒尺寸效應(yīng)解釋的不足。隨著顆粒尺寸的減小，復(fù)合材料由載荷傳遞為主要強化機制向位錯強化機制過渡。復(fù)合材料失效模式也隨著顆粒尺寸的變化而變化，大顆粒增強的復(fù)合材料容易發(fā)生顆粒斷裂失效，而小顆粒增強的復(fù)合材料的基體容易發(fā)生空洞的形核、長大，這與試驗結(jié)果也是一致的。通過研究基體