多晶铍微观弹性力学行为的数值分析

【摘要】金属铍作为一种低原子序数结构材料,具有优越的物理性能和力学性能,其在航空航天工业的惯性导航技术、X射线仪表、电子器件、家用电器制造和汽车制造等领域均有广泛的应用。通过粉末冶金法制得的金属铍是可以认为是由形状不规则、取向随机分布的单晶晶粒构成的多晶集合体。当多晶态金属铍受到外部荷载时,晶粒取向的随机性和晶粒形状的不规则性使得晶粒内部或晶粒间的应力应变出现失配,产生应力集中。金属铍具有强脆性,材料缺陷处的弹性失配往往会导致铍材发生脆性断裂。所以,在分析材料的局部力学行为例如损伤、破坏等问题时,就需要考虑材料的微观晶粒结构,如晶粒取向分布、晶粒尺寸和晶粒几何构型。为此,本文基于对晶粒形状规则及非规则性、晶粒取向随机分布的考虑,运用ANSYS软件对多晶态铍的微观弹性失配行为以及刚度系数进行了研究。围绕这一问题,本文主要做了以下工作：1.考虑到晶粒构型对材料弹性失配的影响分别建立了理想化的规则多晶模型,即规则正方形、正六边形多晶模型和利用Voronoi图划分技得到的非规则多晶模型。2.考虑到单晶体力学性能的各向异性,对密排六方结构的铍晶粒的弹性系数矩阵进行坐标变换,得到任意取向铍晶粒的弹性性能参数。将各组弹性性能参数随机地赋给各个晶粒,实现在晶粒取向随机化分布条件下对弹性性能差异性考虑的目的。3.对规则、非规则晶粒形状的多晶模型进行有限元分析,研究晶粒形状对多晶铍弹性失配的影响。4.采用非规则多晶模型,分别研究了铍晶粒尺寸、晶界处BeO颗粒的含量和尺寸对弹性失配及多晶铍刚度系数的影响。基于以上工作对所建立的铍多晶模型进行有限元分析,结果表明,相比规则多晶模型,非规则Voronoi多晶模型的弹性失配效应更为显著,失配应力集中主要发生在晶界处,较平均应力高出10%左右；晶界上应力成正态分布,晶粒度越大,高应力区比重越小,应力分布越均匀；晶粒尺寸越小,晶界越多,材料刚度系数越大。晶界处BeO含量越高,应力集中越显著,模型刚度系数越大,BeO颗粒尺寸与模型中最大应力、模型刚度系数间没有显著关系。
【作者】万朔；
【导师】何力军；
【作者基本信息】宁夏大学，固体力学，2014，硕士
【关键词】多晶铍；BeO；Voronoi模型；晶粒取向；弹性失配；刚度；有限元分析；

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