基于SiC_p/AZ91D复合材料真实微观结构的多尺度模拟计算

【摘要】颗粒增强金属基复合材料拥有高的比强度、比刚度，以及良好的耐磨性、耐冲击等力学性能，使其在航空航天、汽车、武器弹药以及电子应用等领域均具有广泛的应用前景。研究发现，颗粒增强金属基复合材料的力学性能会受到诸多因素，如制备工艺、材料组分的选择、增强颗粒形状、平均粒径、体积分数、偏聚程度、颗粒和基体间界面粘接情况及热处理工艺等因素的影响而产生较大的差异。本文以SiCp/AZ91D镁基复合材料为研究对象，有限元模拟计算为手段，研究复合材料中颗粒形状、分布、体积分数和位向等细观力学参数，对复合材料准静态力学行为和微观结构变化的影响。采用扫描电子显微镜获得了含有颗粒体积分数10%、平均粒径为10μm的SiCp/AZ91D二维微观结构图，以此为基础，建立了含有SiCp/AZ91D复合材料真实细观力学结构的有限元模型（原始模型）。通过建立合适的材料模型、网格尺寸和边界条件、载荷条件，最终实现了SiCp/AZ91D镁基复合材料的准静态拉伸模拟实验。研究发现，带角的颗粒对镁合金基体有着较强的增强效果，在众多颗粒的简化模型中，正四边形颗粒增强效果最显著，其模拟结果与原始模型较为接近；颗粒团簇现象对复合材料内局部区域有很强的增强效果，虽然平均应力较原始模型有所提高，但应力、应变分布不均匀，削弱复合材料整体力学性能；随着颗粒体积含量增加，复合材料力学性能呈增强趋势，但随着颗粒承载应力增加，容易引起颗粒脆性断裂，降低增强效果；当颗粒位向分布与加载方向平行或垂直时，不利于颗粒转动，SiC颗粒对镁合金基体表现出较强的约束能力，增强效果较好，但颗粒损伤较为严重。因而总结出，由于外载荷的施加而产生颗粒位向角度变化，导致镁合金基体应力应变变化，有利于降低颗粒内的应力集中现象，但由于AZ91D镁合金具有塑性、延性低的特点，使得复合材料内颗粒位向变化不明显，造成颗粒形状、颗粒位向对复合材料力学性能影响较小。
【作者】李超；
【导师】原梅妮；介旭卯；
【作者基本信息】中北大学，航天工程，2014，硕士
【关键词】PRMMCs；力学性能；有限元；SiC；AZ91D；

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