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细观特征对SiCp/Al复合材料力学行为影响的实验及数值研究

作　者: 曹东风
导　师: 刘立胜
学　校: 武汉理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 颗粒增强金属基复合材料 TNT塑性理论细观特征损伤机理尺度效应
分类号: TB333
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

越来越多的实验发现和证实,当非均匀塑性变形的特性长度在微米或者亚微米量级时,材料的力学行为与常规尺度材料有显著不同,材料呈现出很强的尺寸效应。本文以SiCp/Al复合材料作为研究对象,采用实验和数值模拟相结合的方式,研究了细观尺度下,材料的细观特征对SiCp/Al复合材料力学行为的影响。论文首先采用实验的方法研究了细观特征对SiCp/Al复合材料的动态力学行为和损伤机理的影响。SiCp/Al复合材料采用热压烧结技术制备,其动态力学性能采用分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,简称SHPB)装置进行测试,实验前后的试样进行微观结构表征采用SEM(Scanning Electron Microscope)方式完成。实验研究的主要目标包括如下几个方面：(1)SiC陶瓷颗粒的含量对SiCp/Al复合材料的动态力学性能和损伤破坏机理的影响；(2)SiC陶瓷颗粒的尺寸对SiCp/Al复合材料的动态力学性能和损伤破坏机理的影响；(3)多次低能量冲击载荷作用下,应变硬化、位错聚集、颗粒损伤和界面脱粘等细观特征对SiCp/Al复合材料的动态力学性能和损伤破坏机理的影响。实验结果如下：(1)颗粒体积含量的增加会导致SiCp/Al复合材料的动态压缩力学性能的提升,但是颗粒含量的增加同时也导致SiCp/Al复合材料的冲击韧性的降低。(2)SiCp/Al复合材料在冲击载荷的作用下表现出强烈的尺寸依赖性,颗粒尺寸较小的SiCp/Al复合材料拥有更高动态屈服应力和流动应力。(3)在多次低能量冲击载荷的作用下,SiCp/Al复合材料内颗粒损伤和界面脱粘等损伤不断积累,其冲击韧性不断降低,但是其动态压缩力学性能表现为先是明显的增强接着趋于平缓,并没有出现急剧降低现象。基体应变硬化可能是主要原因,此外破损的颗粒依然保留了比较高的残余压缩强度也可能是另一个原因。论文接着采用数值计算的方式研究了细观特征对SiCp/Al复合材料准静态力学性能的影响。当非均匀塑性变形的特性长度在微米或者亚微米量级时,材料呈现出很强的尺寸效应。经典塑性理论由于不包含尺度项而无法解释塑性变形的尺寸依赖性。本文所采用的TNT理论(基于Taylor关系的非局部塑性理论)可以解释微米和亚微米尺寸的塑性变形的尺寸依赖性。该理论遵守Taylor位错硬化关系,采用塑性应变加权平均的方式解释TNT理论中的几何必需位错密度。论文在商用软件AABAQUS的基础上进行二次开发,构建新的8节点9积分点用户自定义等参单元,用于研究SiCp/Al复合材料的尺寸效应。并通过与相关文献的对比验证,TNT流动理论的有效性。最后应用TNT流动理论研究SiCp/Al复合材料的细观特征(颗粒含量,尺寸、形状、长径比和朝向)对其准静态力学性能的影响。由于TNT流动理论的复杂性,论文暂时没有进行动态力学性能方面的预测,颗粒的损伤和界面脱粘等也未考虑。数值计算的验证和计算结果如下：(1)通过与实验,近似公式和基于细观机制的应变梯度塑性理论(Mechaniam Based Strain Gradient Plasticity,简称MSG理论)的对比分析看,TNT流动理论能够很好的捕捉到SiCp/Al复合材料的尺寸效应,对小变形范围的SiCp/Al复合材料的力学性能进行比较准确的预测。(2)TNT流动理论中的平均等效应变梯度和等效Mises应力表现出明显的尺寸依赖性。随着颗粒尺寸的减小,平均等效应变梯度和等效Mises应力随之增大。颗粒尺寸在1μm附近变化时,平均等效应变梯度和等效Mises应力变化剧烈,随着颗粒尺度的增加平均等效应变梯度和等效Mises应力变化趋于平缓。(3)TNT预测结果显示,SiCp/Al复合材料的细观特征(颗粒含量,尺寸,形状、长径比和朝向)对其静态力学性能的有规律性的影响。SiCp/Al复合材料的屈服强度、动态流动应力和平均等效应变梯度随着颗粒体积含量的增加而增加；作为增强相有角的颗粒,颗粒长短轴差异大的颗粒,朝向更接近加载方向和横向变形方向的颗粒,增强效果更强。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-29
  1.1 颗粒增强金属基复合材料的发展和应用  12-13
  1.2 PRMMCs力学行为的细观特征研究现状  13-23
    1.2.1 PRMMCs力学行为的细观特征实验研究  13-17
    1.2.2 PRMMCs力学行为的理论和数值研究  17-23
  1.3 尺寸效应以及描述尺寸效应的方法  23-26
    1.3.1 细观尺度下的尺寸效应  23
    1.3.2 刻画尺寸效应的方法  23-26
  1.4 本文研究的目的和主要内容  26-29
第二章 SiCp/Al复合材料试样制备以及相关性能测试  29-38
  2.1 SiCp/Al复合材料的试样制备  29-33
    2.1.1 原材料  29-31
    2.1.2 SiCp/Al复合材料配比和制备工艺  31-32
    2.1.3 试样的切割和打磨  32-33
  2.2 SiCp/Al复合材料性能测试  33-35
    2.2.1 密度测试  33-34
    2.2.2 试样的微观结构表征  34-35
  2.3 SHPB设备和动态力学性能测试  35-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章动态力学性能测试和损伤破坏机理  38-56
  3.2 动态力学性能与损伤破坏机理  38-54
    3.2.1 颗粒体积含量对动态力学性能的影响  38-40
    3.2.2 颗粒体积含量对SiCp/Al复合材料损伤破坏机理的影响  40-41
    3.2.3 颗粒尺寸对动态力学性能的影响  41-44
    3.2.4 颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料损伤破坏机理的影响  44-46
    3.2.5 SiCp/Al复合材料多次冲击后的动态力学性能  46-53
    3.2.6 SiCp/Al复合材料的多次冲击破坏机理  53-54
  3.3 本章小结  54-56
第四章 TNT流动理论  56-81
  4.1 Taylor位错模型和PRMMCs中的位错特征  56-62
    4.1.1 Taylor位错模型  56-58
    4.1.2 PRMMCs中的位错密度和位错强  58-61
    4.1.3 PRMMCs中的位错的形成和密度分布  61-62
  4.2 TNT理论塑性流动理论介绍  62-64
  4.3 TNT流动理论的有限元方案  64-77
    4.3.1 有限元求解方程  64-66
    4.3.3 TNT流动理论本构关系  66-68
    4.3.3 屈服判定和应力更新  68-73
    4.3.4 非局部变量的积分方案  73-77
  4.4 单元刚度矩阵  77-80
  4.5 本章小节  80-81
第五章 TNT流动理论ABAQUS中的实现和结果验证  81-107
  5.1 ABAQUS及用户自定义单元(UEL)  81-82
  5.2 TNT流动理论在ABAQUS中的实现  82-89
    5.2.1 插值函数  84-85
    5.2.2 等参变换  85-87
    5.2.3 局部塑性硬化  87-89
  5.3 数值验证模型和相关设置  89-95
    5.3.1 数值验证模型  90-91
    5.3.2 材料参数  91-92
    5.3.3 材料的特征长度和积分胞元的尺寸  92-93
    5.3.4 载荷、边界和结果提取  93-95
  5.4 TNT流动理论的尺寸效应预测结果的验证和相关讨论  95-106
    5.4.1 TNT流动理论的预测结果和验证  98-102
    5.4.2 TNT流动理论中的应变梯度  102-105
    5.4.3 泰勒模型经验常数a对数值结果的影响  105
    5.4.4 非局部积分胞元尺寸对数值结果的影响  105-106
  5.5 本章小结  106-107
第六章细观特征对SiCp/Al复合材料准静态力学性能的数值预测  107-125
  6.1 颗粒体积含量和尺寸的影响  107-112
    6.1.1 颗粒体积含量和尺寸对强化效果的影响  108-110
    6.1.2 颗粒体积含量和尺寸对Al基的应变梯度的影响  110-112
  6.2 颗粒形状的影响  112-116
    6.2.1 颗粒形状对增强效果的影响  113-114
    6.2.2 颗粒形状对Al基的应变梯度的影响  114-116
  6.3 颗粒长径比的影响  116-121
    6.3.1 颗粒长径比对增强效果的影响  117-118
    6.3.2 颗粒长径比对Al基的应变梯度的影响  118-121
  6.4 颗粒朝向的影响  121-123
    6.4.1 颗粒朝向对增强效果的影响  121-122
    6.4.2 颗粒朝向对铝基的应变梯度的影响  122-123
  6.5 本章小节  123-125
第七章结论和展望  125-129
  7.1 全文总结  125-127
  7.2 展望  127-129
文献  129-140
作者在攻读博士学位期间发表的学术论文  140-141
作者在攻读博士学位期间参加的科研项目  141-142
致谢  142

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