高体积分数金属基复合材料SiCp/2024Al动态力学性能研究

摘要

高体积分数颗粒增强金属基复合材料由于其具有高比刚度、高比强度、低密度和优越的热学性能，使得其被广泛地应用于航空航天、军工、装配和电子封装等领域。其中，在很多领域涉及到动态载荷的作用，而材料在准静态载荷和动态载荷作用下的力学性能存在着显著的差异。研究其动态力学性能及其机理，为该类复合材料的材料设计与开发以及工程应用等方面具有重要意义。
　　本文针对高体积分数颗粒增强金属基复合材料SiCp/2024Al的动态力学性能进行了实验和数值模拟研究。主要研究内容包括以下几个方面：
　　分别采用霍普金森压杆(SHPB)动态压缩加载装置和Instron材料试验机研究了铸造、退火和T6热处理的三种颗粒体积分数40％、45%和50%SiCp/2024Al复合材料的压缩力学性能，其中应变率测试范围为0.001/s-2500/s。由于高体积分数颗粒增强金属基复合材料具有一定的脆性，通常的SHPB加载方法表现出一定的局限性。为此，采用了波形整形的方法，通过对实验结果的比较与分析，选择尺寸为Ф5mm×1mm的黄铜垫片作为整形器，以实现试件在变形过程中处于应力平衡和常应变率变形状态，满足了SHPB工作原理应力和应变均匀性的假设，保证了实验结果的可靠性。
　　准静态和动态压缩实验结果表明，不同体积分数SiCp/2024Al复合材料表现出明显不同的变形行为。其中，与准静态相比，高应变率下复合材料表现出较高的延伸率；颗粒体积分数为40%的复合材料在高应变下从腰鼓状变形逐渐至剪切破坏，具有较大的延伸率和较好的塑性，而颗粒体积分数为45%和50%的复合材料则从剪切破坏到劈裂破坏，表现出明显的脆性；结合文献中体积分数40%以下的颗粒增强金属基复合材料在高应变率不发生破坏的实验结果，本文的实验结果表明，对于SiCp/2024Al复合材料，40%左右颗粒体积分数为该复合材料由塑性至脆性特性转变的临界体积分数。
　　通过单轴压缩实验得到了SiCp/2024Al复合材料在应变率范围为0.001-2500/s的应力应变曲线，实验结果表明，应变率对复合材料的流动应力有明显的影响。其中，颗粒体积分数为40%的复合材料的流动应力随着应变率的增大而提高，而颗粒体积分数为45%和50%复合材料的流动应力则是随着应变率的增大先增大后减小，这一趋势可能是由于高应变率下绝热压缩过程中生成的热所引起的软化效应所导致的，本文还讨论了颗粒体积分数、热处理、应变硬化和应变率硬化对复合材料动态力学性能的影响。
　　通过对压缩试件断口的SEM照片分析，观察到了基体在高应变率下发生熔化的现象。这一现象可能是由于绝热压缩是塑性变形转换生成的热所引起的。结合此现象，以及试件的宏观变形和不同应变率下的应力应变曲线结果表明，高应变率下，颗粒增强金属基复合材料SiCp/2024Al的变形机理为：低体积分数复合材料是由基体变形承受、传递载荷，而高颗粒体积分数则是由颗粒相接触形成的网状结构承受载荷。
　　针对上述动态压缩实验还进行了数值模拟分析。其中，利用有限元软件LS-DYNA建立了含有不同长径比椭球形颗粒的二维轴对称和三维的单胞模型，根据SEM照片中发现熔化现象，为了分析和比较热软化效应的影响，本文分别采用了Cowper-Symonds和Johnson-Cook材料模型进行了数值计算。计算结果表明，带有温度软化的Johnson-Cook模型的计算结果与实验结果比较吻合，还利用从隐式到显示计算分析了动态冲击载荷下的热残余应力的影响。
　　在此基础上，利用有限元LSDYNA软件计算分析了不同颗粒体积分数、长径比和颗粒形状等对SiCp/2024Al复合材料动态力学性能的影响。数值计算结果表明，颗粒体积分数10-30vol.%时长径比对复合材料的流动应力影响小于对40-50vol.%复合材料流动应力的影响；以及复合材料的应力应变曲线在体积分数为30%以下明显的线性硬化，而在40vol.%和50vol.%时复合材料的应力应变曲线则表现出随着应变增大而下降的趋势，与实验结果得出的40%左右颗粒体积分数为复合材料性能转变的临界体积分数的结论相吻合。

目录

高体积分数金属基复合材料SiCp/2024Al动态力学性能研究

RESEARCH ON DYNAMICPROPERTIES OF METAL MATRIXCOMPOSITES SiCp/2024AlREINFORCED WITH HIGH PARTICLEVOLUME FRACTRION

摘要

Abstract

目录

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 金属基复合材料简介

1.3 颗粒增强金属基复合材料力学性能研究状况

1.4存在的问题

1.5 本文研究的主要内容

第2章 材料与试验设备

2.1 材料的制备

2.2 实验设备

2.3 本章小结

第3章 高体积分数SiCp/2024Al 单轴压缩力学性能实验研究

3.1 实验波形分析

3.2 应力应变曲线

3.3 本章小结

第4章 高体积分数SiCp/2024Al变形机理分析

4.1 宏观变形分析

4.2 微观照片分析

4.3 颗粒体积分数的影响

4.4 不同的热处理对复合材料性能的影响

4.5 应变硬化和应变率敏感率

4.6 本章小结

第5章 高体积分数SiCp/2024Al动态压缩数值模拟研究

5.1 引言

5.2 二维轴对称有限元计算

5.3 计算结果

5.4 残余应力的影响的计算方法

5.5 本章小结

第6章 影响金属基复合材料力学性能因素的数值模拟研究

6.1 有限元计算

6.2 计算结果

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表、待发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

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