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颗粒增强镁基复合材料微区应力场的仿真模拟

时间: 2011-07-07 10:01 来源: 作者: 李晓军 柴东朗 郗雨林 曹利强点击:
摘要:本文采用借助有限元软件FEPG仿真模拟了SiC颗粒增强镁基中实际形状的增强体周围的微区应力场。结果表明,不同形状的增强体颗粒附近的微区应力场差异很大,个别颗粒会在低应力下失效。当增强体的体积分数较少时,每个增强体的微区应力场受其它增强体影响不大,近似给出单个增强体的形状就可以仿真模拟出增强体附近的微区应力场。利用法制备了颗粒增强镁基复合材料,观察其拉伸断口,并利用有限元方法进行仿真模拟,据此进行了增强体颗粒的失效分析。
关键词:镁基复合材料 有限元 仿真模拟

前言

颗粒增强镁基复合材料具有比同类普通合金更高的比刚度、比强度、热稳定性、耐磨性以及低的热膨胀系数,生产成本低,成为新材料研发的一个热点[1-5]。然而,作为一种多组分的材料,其性能不稳定,材料失效也比普通材料复杂得多,不能通过简单的力学计算得到,国内外的许多学者采用有限元方法对此进行了研究[6-8]。但目前的研究大多是基于某种理想化的模型,尚未见到有人模拟真实颗粒周围的应力场并据此进行失效分析。本文采用有限元方法仿真模拟了SiC颗粒增强镁基复合材料中实际形状的增强体周围的应力场,并和实验结果进行了对比。

1 建立有限元计算的几何模型

市售的碳化硅颗粒是具有尖角及棱角的磨料级角状碳化硅,这种常用的碳化硅颗粒实际上并非为等轴状,长径比一般为1.4~2.0,形状不规则[9],其它一些硬质的增强体颗粒也具有类似特征,仿真模拟所构造的几何模型在模仿角状碳化硅颗粒形状的同时应兼顾这些规律。

图1是构造的几何模型,采用一个立方单胞,单胞中增强体呈体心立方分布,几何模型的端面沿Z轴方向加200MPa均布拉应力。计算时基体和增强体的杨氏模量取值为:Emg=4.4×1010Pa、ESiC=4.5×1011Pa,基体和增强体的泊松比分别为:μmg=0.35、μSiC=0.17。采用有限元软件FEPG在线弹性范围内计算应力场,进行网格剖分并对增强体附近区域进行局部网格加密,采用四面体单元剖分,剖分后的节点数为10053,单元数为54004。


图1 模型图

2 形状不规则的增强体附近的应力场

界面往往是复合材料结合最薄弱的位置,因此研究界面处的应力状况及应力过渡有重要意义,图2是基体和增强体界面处的最大主应力场σmax,由图中可见,σmax沿着受力方向有一定的应力集中,两侧σmax较小,因此,对于非等轴的增强体,加载方向对微区应力场影响很大。同时由图2中可以看出,由于形状各异,各个颗粒的受力状况都不同,差异很大,非常复杂,应力集中不但出现在尖角处,也出现在棱边和界面上,某些处于比较危险的受力状态下的颗粒可能会在低应力下发生断裂或界面脱粘。因此,对单个增强体进行力学分析时,一般采取的理想模型与实际情况(多角、多棱)的应力应变场有很大差别。


图2 增强体颗粒表面处的最大主应力

为了研究增强体颗粒内部的应力状况以及界面附近的应力过渡状况,截取模型的(110)面进行分析,图3是最大主应力场σmax的截面图,由图中可以看出,增强体内部的最大主应力大于基体中的平均值,起到了一定的分担承载作用,当增强体的体积分数较少时,每个增强体的微区应力场受其它增强体影响不大,近似给出单个增强体的形状和加载方式就可以仿真模拟出增强体附近的微区应力场状况。


图3 截面处的最大主应力

3 实验验证

3.1 SiC颗粒附近的失效观察

用粉末冶金方法制备了SiC颗粒增强镁基复合材料,观察拉伸断口,发现其中某个颗粒附近的失效情况较复杂,同时存在增强体断裂、界面脱粘、界面附近基体开裂等现象(断口扫描照片见图4)。观察照片当中的棱角分明的SiC颗粒,颗粒右下角是裂纹源,颗粒左侧有一处界面脱开、一处基体开裂。


图4 断口扫描照片

3.2 微区应力场的仿真模拟

照片中的颗粒从中间断裂,故依照颗粒形状建立模型并截取截面分析微区应力场状况,由图5可以看出,增强体的附近有一定的切应力集中,为了使切应力作用下的失效显示得更明显,将增强体隐藏,只观察界面和基体中的切应力值,两处切应力集中点正好对应图4中界面脱粘处和颗粒附近基体开裂处。


图5 增强体颗粒附近的切应力

图6是有限元方法计算的最大主应力场截面图,应力集中峰值出现在颗粒内部,但由图4中可以看到裂纹源在颗粒右下方界面处,可见,虽然颗粒内部应力集中严重,但是还未达到颗粒的断裂强度,所以在低应力下裂纹从界面处萌生,向增强体内部扩展。 实验结果和有限元计算结果一致。


图6 断口上的最大主应力

4 结论

(1)对单个增强体进行力学分析时,一般采取的理想模型与实际情况(多角、多棱)的应力应变场有很大差别。
(2)当增强体的体积分数较少时,每个增强体的微区应力场受其它增强体影响不大,近似给出单个增强体的形状和加载方式就可以仿真模拟出增强体附近的微区应力场状况。
(3)采用有限元方法仿真模拟了颗粒增强镁基复合材料增强体附近的微区应力场,实验结果和有限元方法计算结果一致。

参考文献
[1] J.W.Kaczmar et al. The production and application of Metal Matrix Composite materials. Journal of Materials Processing Technology. 2000; 106: 58-67
[2] Gui Manchang. The application of particles reinforcement metal matrix composite in automotive. Materials of mechanical engineering. 1996; 10(1): 6-12
(桂满昌. 机械工程材料. 1996; 10(1): 6-12)
[3] Wu Renjie. The present condition and prospects on metal matrix composites. Acta metallurgica sinica. 1997; 33(1): 78-84
(吴人杰. 金属学报. 1997; 33(1): 78-84)
[4] Clyne TW, Withers PJ. An introduction to metal matrix composites. Cambridge: Cambridge University Press. 1993.
[5] Sinclair I, Gregson PJ. Structural performance of discontinuous metal matrix composites. Mater sci Technol 1997;13:709-26
[6] Aboudi J. Micromechnical analysis of composites by the method of cells. Appl. Mech Rev 1996;49(10):S83-91.
[7] Iyer SK, Lissenden CJ, Amold SM. Local and overall flow in composites predicted by micromechnics. Composites: Part B 2000;31:327-43.
[8] X. Q. XU, D. F. WATT. A finite element analysis of plastic relaxation and plastic accumulation at second phase particles. Acta mater. Vol.44.No.2,pp.801-811,1996
[9] Cui yan. Optical and Instrument Grade Aluminum Matrix Composites Reinforced with Self-Propagating High-Temperature Synthesized SiC Particle. Materials engineer. 2002;12:12
(崔岩. 材料工程. 2002;12:12-15)

作者简介:李晓军,男,1977年生,硕士研究生(end)

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