顆粒增強金屬基復合材料動態(tài)力學性能的實驗研究與數值模擬.pdf

1、顆粒增強金屬基復合材料(Particle Reinforced Metal Matrix Composites，PRMMCs)具有高比剛度、比強度、良好的抗磨擦和抗沖擊等優(yōu)異的力學性能，在航天航空、汽車、電子以及國防等諸多領域有廣泛的應用前景。PRMMCs在沖擊載荷作用下的變形損傷機理和動態(tài)力學性能的研究具重要的科學價值和工程應用指導意義。 本文采用實驗研究與數值模擬相結合的方法研究了PRMMCs的動態(tài)力學性能，建立了預測PRM

2、MCs動態(tài)力學性能的計算細觀力學模型，重點研究了顆粒的形狀、分布、方向和界面狀況等因素對PRMMCs的變形損傷機理和動態(tài)力學性能的影響。 論文首先對SiC顆粒增強鋁基復合材料的變形損傷機理和動態(tài)力學性能進行了實驗研究。SiC顆粒增強鋁基復合材料采用放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering，SPS)技術制備，并用分離式Hopkinson壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)裝

3、置測試其動態(tài)力學性能。主要研究了粉末混合工藝、顆粒大小及含量對復合材料在準靜態(tài)和動態(tài)加載條件下的變形損傷機理和力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)粉末混合工藝對復合材料的微觀結構、界面狀況和力學性能有重要影響。材料屈服強度、動態(tài)流動應力和應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)生較大壓縮變形時會出現(xiàn)應變軟化。隨顆粒尺寸的減小，材料的屈服強度和動態(tài)流動應力增加，材料的應變率敏感性降低，發(fā)

4、生應變軟化時的應變減小。 在實驗研究的基礎上，論文提出了兩種建立計算細觀力學模型的方法，即虛擬隨機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測了PRMMCs的變形損傷機理和動態(tài)力學性能。為了研究界面對材料性能的影響，分別采用了完美界面模型、獨立界面層模型和耦合界面節(jié)點模型對界面進行模擬。在拉伸失效分析模型中分別采用了單元失效方式和節(jié)點耦合失效方式模擬裂紋的擴展。 利用虛擬隨機分布多顆粒模型

5、，首先通過大量的數值模擬，分別比較了動態(tài)壓縮時不同界面計算模型的預測結果和動態(tài)拉伸時不同斷裂失效方式計算模型的預測結果，研究了網格尺寸、界面強度、模型所含顆粒的數量和顆粒分布對計算結果的影響。隨后通過與實驗結果的比較，分析了各種細觀結構模型和材料模型的有效性。研究結果表明，在動態(tài)壓縮加載條件下，采用彈性夾雜模型時預測的PRMMCs的流動應力偏高，而采用Johnson-Holmquist陶瓷材料模型時，各種有限元模型預測的PRMMCs的流

6、動應力與實驗結果基本吻合。基于SEM圖片建立的計算模型中顆粒形狀不規(guī)則，顆粒對基體約束較強，預測得到的PRMMCs的初始屈服強度和流動應力比采用規(guī)則形狀夾雜模型高。在動態(tài)拉伸載荷條件下，各種模型都能較好的預測材料的彈性性質和初始屈服應力，能夠較好的反映界面性質和顆粒分布對斷裂面形貌的影響。 論文最后用具有完美界面的隨機分布多顆粒模型分析了顆粒的含量、形狀和方向性對PRMMCs的變形損傷機理和動態(tài)壓縮力學性能的影響。研究表明復合材