细观特征对SiCp/Al复合材料力学行为影响的实验及数值研究

摘要

越来越多的实验发现和证实,当非均匀塑性变形的特性长度在微米或者亚微米量级时,材料的力学行为与常规尺度材料有显著不同,材料呈现出很强的尺寸效应。本文以SiCp／Al复合材料作为研究对象,采用实验和数值模拟相结合的方式,研究了细观尺度下,材料的细观特征对SiCp／Al复合材料力学行为的影响。
　　 论文首先采用实验的方法研究了细观特征对SiCp／Al复合材料的动态力学行为和损伤机理的影响。SiCp／Al复合材料采用热压烧结技术制备,其动态力学性能采用分离式Hopkinson压杆(SplitHopkinsonPressureBar,简称SHPB)装置进行测试,实验前后的试样进行微观结构表征采用SEM(ScanningElectronMicroscope)方式完成。实验研究的主要目标包括如下几个方面:(1)SiC陶瓷颗粒的含量对SiCp／Al复合材料的动态力学性能和损伤破坏机理的影响；(2)SiC陶瓷颗粒的尺寸对SiCp／Al复合材料的动态力学性能和损伤破坏机理的影响；(3)多次低能量冲击载荷作用下,应变硬化、位错聚集、颗粒损伤和界面脱粘等细观特征对SiCp／Al复合材料的动态力学性能和损伤破坏机理的影响。实验结果如下:(1)颗粒体积含量的增加会导致SiCp／Al复合材料的动态压缩力学性能的提升,但是颗粒含量的增加同时也导致SiCp／Al复合材料的冲击韧性的降低。(2)SiCp／Al复合材料在冲击载荷的作用下表现出强烈的尺寸依赖性,颗粒尺寸较小的SiCp／Al复合材料拥有更高动态屈服应力和流动应力。(3)在多次低能量冲击载荷的作用下,SiCp／Al复合材料内颗粒损伤和界面脱粘等损伤不断积累,其冲击韧性不断降低,但是其动态压缩力学性能表现为先是明显的增强接着趋于平缓,并没有出现急剧降低现象。基体应变硬化可能是主要原因,此外破损的颗粒依然保留了比较高的残余压缩强度也可能是另一个原因。
　　 论文接着采用数值计算的方式研究了细观特征对SiCp／Al复合材料准静态力学性能的影响。当非均匀塑性变形的特性长度在微米或者亚微米量级时,材料呈现出很强的尺寸效应。经典塑性理论由于不包含尺度项而无法解释塑性变形的尺寸依赖性。本文所采用的TNT理论(基于Taylor关系的非局部塑性理论)可以解释微米和亚微米尺寸的塑性变形的尺寸依赖性。该理论遵守Taylor位错硬化关系,采用塑性应变加权平均的方式解释TNT理论中的几何必需位错密度。论文在商用软件ABAQUS的基础上进行二次开发,构建新的8节点9积分点用户自定义等参单元,用于研究SiCp／Al复合材料的尺寸效应。并通过与相关文献的对比验证,TNT流动理论的有效性。最后应用TNT流动理论研究SiCp／Al复合材料的细观特征(颗粒含量,尺寸、形状、长径比和朝向)对其准静态力学性能的影响。由于TNT流动理论的复杂性,论文暂时没有进行动态力学性能方面的预测,颗粒的损伤和界面脱粘等也未考虑。数值计算的验证和计算结果如下:(1)通过与实验,近似公式和基于细观机制的应变梯度塑性理论(MechaniamBasedStrainGradientPlasticity,简称MSG理论)的对比分析看,TNT流动理论能够很好的捕捉到SiCp／Al复合材料的尺寸效应,对小变形范围的SiCp／Al复合材料的力学性能进行比较准确的预测。(2)TNT流动理论中的平均等效应变梯度和等效Mises应力表现出明显的尺寸依赖性。随着颗粒尺寸的减小,平均等效应变梯度和等效Mises应力随之增大。颗粒尺寸在1μm附近变化时,平均等效应变梯度和等效Mises应力变化剧烈,随着颗粒尺度的增加平均等效应变梯度和等效Mises应力变化趋于平缓。(3)TNT预测结果显示,SiCp／Al复合材料的细观特征(颗粒含量,尺寸,形状、长径比和朝向)对其静态力学性能的有规律性的影响。SiCp／Al复合材料的屈服强度、动态流动应力和平均等效应变梯度随着颗粒体积含量的增加而增加；作为增强相有角的颗粒,颗粒长短轴差异大的颗粒,朝向更接近加载方向和横向变形方向的颗粒,增强效果更强。