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1、第27卷第4期武汉化工学院学报Vol.27No.42005年07月J.WuhanInst.Chem.Tech.Jul.2005文章编号:10044736(2005)04001904颗粒簇增强金属基复合材料的细观力学行为12叶亚琴,熊黎明(1.中国地质大学信息工程学院,湖北武汉430074;2.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074)摘要:基于SiC/Al基复合材料中的SiC颗粒簇周期性排布假设,通过三维有限元体胞方法,探讨了不同堆积形式下的颗粒簇微结构对基体材料中热残余径向应力的分布,所得结果对于深入理解金属基复合材料的损伤过程有参考价值.关键词:三维体胞
2、;有限元热残余应力;颗粒簇;径向应力中图分类号:O334文献标识码:A0引言1三维体胞模型短纤维或颗粒增强金属基复合材料的损伤、实际材料中,增强相颗粒呈随机分布,进行有断裂过程一般可分为孔洞形核、孔洞长大和孔洞限元分析时,根据周期性假设可以建立多种不同聚合三个阶段,人们对孔洞长大和孔洞聚合过程排布形式的有限元分析模型.面心立方、体心立方已有较深入的了解,但对于孔洞的形核过程缺乏这两种点阵均属于立方晶系,立方晶系中因对称深入认识,特别是对颗粒簇的微结构及其微排布等同关系,存在三个晶向族,下文将对三维体胞中[1]特征对孔洞形核的影响的理解还相当欠缺.若干不同晶向上的径向应力
3、分布进行分析.在金属基复合材料中,增强相的簇效应对材本文对简单立方、体心立方的堆积方式建立料表观力学性能的影响已引起研究者们的广泛关了相应的计算模型,以面心立方体胞为例,根据对注.实验观察到孔洞容易在颗粒不均匀的局部区称性,可以取立方体胞的八分之一进行分析,示意域的夹杂/基体界面上形核,并且颗粒的间距越图如图1.[2][3]小,越容易导致裂纹萌生.据此,FerryM等人推测,颗粒簇所在区域的夹杂/基体界面强度低于无簇效应区域的界面强度,从而导致界面易于形核.理论研究方面,Shi等结合Eshelby和有限元[4]方法提出分两步研究MMC中的簇效应;数值研究方面,文献[5]
4、建立了裂纹前缘存在颗粒簇的有限元模型,研究了簇效应对短裂纹生长的影响,认为簇内颗粒排布的不同会导致复合材料中载荷传递的变化,从而改变裂纹的扩展路径和速率.在金属基复合材料的制备过程中,由于材料中各相热膨胀系数的差异,不可避免地会产生热[6]残余应力,热残余应力一方面会在制备过程中直接诱发孔洞形核,一方面又可达到增韧效果,对材料力学行为影响复杂.本文考虑了材料中基体及增强相的各种参数随温度变化,并对面心、体心堆积方式的三维颗粒簇影响下的热残余应力场进图1简单立方(a)(b)、面心堆积(c)方式下的单位立行了分析.方体胞Fig.1Unitcellofcubic(a),(b)
5、andfcc(c)收稿日期:20040920作者简介:叶亚琴(1979),女,湖北荆州人,助教,硕士研究生.研究方向:空间数据库,计算机仿真与数值模拟.武汉化工学院学报第27卷当x1=0,x2=0,x3=0时,u1=0,u2=0,u3=0;2边界条件及材料模型当x1=l,x2=l,x3=l时,u1=U1,u2=U2,瞬态热分析过程中,分析500～20℃降温过u3=U3;程导致的温度场时,给定体胞外表面上与外界的式中,ui是位移分量,Ui为体胞i向瞬时位2热对流系数为500W/(m·℃),即x1=l;x2=l;移(i=1,2,3).2x3=l时,均有=500W/(m·℃
6、);温度场分析材料模型考虑了夹杂和基体材料的热力学参结束,将得到的结果以状态变量的形式施加到模量随温度的变化(表1);温变结束后,在室温(20型中,以500℃为初始条件进行残余应力场的分℃)下进行单轴加载分析时,SiC颗粒视为线弹性析,为了模拟体胞周围材料的约束及夹杂间的相材料,Al基为硬化指数n=0.1的幂硬化材料,并互作用,同时根据对称性,边界条件可表示为:服从屈服准则.表1SiC颗粒和Al的热力学参量Table1MaterialpropertiesofSiCandAl比热容热传导率杨氏模量热胀系数屈服应力材料泊松比/J(kg·K)-1/W(m·℃)-1/GPa/℃
7、/MPaSiC84019747000.214.31×10-6—20℃Al880213.5720.3102.3×10-5280SiC117633604500.156.20×10-6—500℃Al1080226500.2752.7×10-5200颗粒半径,l为体胞边长.从图3中可见:颗粒内3计算结果与分析部轴对称体胞的计算结果比三维体胞高出近50首先对给定热边界条件下的三维体胞模型进MPa,并且,从r的分布趋势上可以看出,轴对称行了瞬态的温度场分析,以简单立方情况下的的计算所得热残余应力场的存在区域更大.因此,=0.4,l=1的三维体胞模
