颗粒增强金属基复合材料氢致变形行为的数值模拟

摘要

氢是在自然界最小、最轻的原子，它广泛存在自然界中。环境中存在的氢可以通过在材料表面的物理吸附、化学吸附、溶解或扩散等过程进入材料内部。作为最小的原子，一旦进入材料后，氢就会在材料中快速扩散；与此同时，氢还会被材料中的各种缺陷捕捉或者偏析在它们附近。被材料中各种缺陷捕捉或偏析在它们附近的氢，不仅会显著地影响材料的塑性变形行为，还会显著地影响材料的断裂强度，导致材料过早地发生氢脆断裂。氢致材料失效现象虽在工程中广泛存在，但对其内在物理机理的认识和定量描述还不够深入，它涉及材料科学和固体力学的交叉前沿，是一个典型的多尺度、多场耦合科学问题。 颗粒增强金属基复合材料是一种性能优良的先进复合材料，在工程中有越来越多的应用。该材料的优良性能来自于颗粒相和基体相的有效协同，颗粒与基体之间的界面强度是控制其性能的关键。一旦进入颗粒增强金属基复合材料后，氢会在颗粒-基体界面处偏析并显著地降低界面粘接性能，导致颗粒复合材料整体性能下降。因此，研究颗粒增强金属基复合材料中氢的扩散以及氢在界面附近的分布对刻画颗粒增强金属基复合材料的力学性能、界面开裂行为有重要理论意义和潜在的工程应用价值。本文的主要工作有： 1、氢扩散-应力场耦合算法及其在ABAQUS软件中的实现。氢的扩散不仅与氢的浓度有关，还与静水应力场的分布有关，涉及氢浓度场与应力应变场的耦合。为此，首先，通过ABAQUS的UMAT子程序计算金属基体和颗粒的力学行为；然后，基于氢扩散方程与热传导方程的相似性，采用热比拟法，通过ABAQUS的UMATHT子程序计算氢的浓度分布；通过二次开发，在ABAQUS框架下实现了应力、应变场和氢扩散之间的耦合求解。 2、通过氢扩散-应力场耦合计算模拟，研究了颗粒体积分数、颗粒取向等对氢在金属基体中的分布的影响。主要考虑了两种情形：即氢不影响基体材料力学行为及氢影响基体材料力学行为。通过对比分析，研究了这两种情形下，颗粒体积分数、颗粒取向等细观结构特征对氢在基体中的分布及其对颗粒增加金属基复合材料宏细观力学行为的影响。本文所得结果对认识颗粒增强金属基复合材料的氢致变形行为及其失效机理有一定参考价值。

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