热残余应力影响下的SiC颗粒增强Al基材料的宏细观力学行为研究

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颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)具有价格便宜、制备工艺简单,易于二次加工、各向同性、耐磨等优点。尤其是铝基复合材料,具有高比硬度、高比强度、耐高温性、高弹性模量以及优良的抗氧化性等突出优点,在工程中被认为最有前途的金属基复合材料。但是,由于颗粒增强金属基复合材料制备过程中极易产生局部塑性变形,从而导致其韧性较低,限制了其规模化的应用,所以,需要深入研究材料的细观损伤机理,建立材料细观结构与材料损伤以及断裂韧性之间的关联机制。复合材料制备过程中,热处理工艺必然产生热残余应力场,细观层次上,热残余场直接影响材料中粒子断裂、界面脱开、基体内孔洞形核等损伤力学行为;宏观层次上,残余应力场能够使材料中微裂纹闭合或者改变扩展路径,进而影响材料的断裂韧性以及宏观力学行为。考虑到大量已有的对残余应力问题得到的解析、数值解的局限性,本文计及了热处理工艺过程中较大的温变范围内材料特性常数(热膨胀系数、比热、泊松比、杨氏模量等)随温度变化的实际情况。首先采用轴对称体胞方法,在进行瞬态热传导分析的基础上,通过弹塑性的热应力有限元分析,对于含有单个颗粒的体胞,以体积分数、颗粒纵横比为参量,研究分析了多种不同大小、形状的增强相情况下,材料中的热残余应力场的形态及其对材料细观力学行为可能产生的影响,并与解析结果进行了对比;对于由于颗粒的团聚产生的簇效应,本文首先对轴对称体胞中所能考虑的多种形式的简单椭球簇效应下的热残余应力场进行了系统的计算与讨论。在此基础上,考虑到轴对称体胞方法在颗粒排布、几何形状、体积分数方面的局限性,建立了增强相呈面心堆积、体心堆积的三维模型,由于三维体胞模型中的颗粒簇更接近真实材料的细观结构,计算所得热残余应力场对复合材料的界面设计或应力控制更具参考意义。宏观力学行为的研究中,对于热残余应力对材料断裂韧性、Bauschinger效应的影响,本文利用轴对称体胞方法进行了初步的分析。通过对上述计算过程、结果的讨论分析,从数值方法的角度验证并阐释了金属基复合材料在应用、实验中所观察到的一些现象,得出了对颗粒增强金属基复合材料的研制具有一定参考意义的结果。
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