镁基纳米混杂增强复合材料动态压缩与拉伸性能研究

摘要

以轻质金属镁为基质的混杂增强纳米复合材料是一种新型材料，其良好的动态力学性能必将在航空航天、汽车等领域得到广泛的应用。研究镁基纳米复合材料在冲击荷载下的力学行为对其优化设计具有重要的指导意义。
　　本文以实验和有限元模拟相结合的方式对镁基纳米复合材料的动态力学行为进行了研究，首先以表面改性的多壁碳纳米管和纳米尺度的SiC颗粒为增强相，总质量分数为1％，制备了不同混杂比的AZ91镁基复合材料，使用透射电镜和金相显微镜分别对粉体和复合材料的细观结构进行了表征。测试了不同混杂比镁基纳米复合材料的准静态压缩和拉伸力学性能，发现复合材料的拉伸和压缩性能较镁合金基体都得到了提高，碳纳米管和SiC混杂比为7∶3时，复合材料的拉伸力学性能较好，而混杂比为3∶7时，复合材料的抗压性能比较好，镁合金及其复合材料的拉伸压缩应力应变曲线是不对称的;然后使用SHPB实验装置测试和FEM仿真模拟了镁合金及其复合材料的动态压缩和拉伸力学性能，并拟合了镁合金基体的J-C本构参数用于接下来的数值模拟，发现复合材料常温动态压缩和拉伸力学性能数值模拟预测结果与实验观察结果一致，这为后续各向异性非均质复合材料高温动态本构关系的建立提供了可靠的本构参数。最后建立计算细观力学模型并利用有限元软件LS-DYNA研究增强相附近局部应力场的变化，根据动态拉伸和压缩计算结果做出应力应变曲线，并讨论了不同增强体混杂比、体积分数、温度、应变率对复合材料动态压缩和拉伸应力应变关系的影响。有限元计算结果表明，同准静态相比，镁合金纳米混杂复合材料在动态拉伸和压缩时，均表现出较高的屈服应力、强度和较好的抗高速冲击性能，其中混杂比为5∶5的复合材料受到高应变率压缩荷载时性能最好。利用计算获得的应力-应变数据，拟合出镁合金复合材料在动态压缩时的Johnson-Cook本构关系，发现在动态压缩时，其流变应力表现出随应变速率增加而提高的正应变率相关性和温度软化效应，但应变硬化效应影响较大。该纳米复合材料在动态压缩和拉伸时也存在着拉压不对称性，存在这种不对称性的可能原因在于压缩时存在着孪晶而拉伸时则没有。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 镁基纳米复合材料研究现状及进展

1．2．1 镁基纳米复合材料增强相与基体的选择及制备方法

1．2．2 镁基纳米复合材料的力学性能研究进展

1．3 金属基纳米复合材料动态力学性能的研究方法

1．3．1 有限元计算细观力学

1．3．2 复合材料动态力学行为实验技术

1．4 材料动态本构的研究进展

1．4．1 单一曲线模型

1．4．2 强化模型

1．4．3 失效模型

1．5 本文主要研究内容

2 霍普金森杆动态加载实验与数据处理

2．1 霍普金森杆实验原理

2．2 霍普金森杆实验数据处理方法

2．3 镁基复合材料的制备

2．4 力学性能实验及数据分析

2．4．1 低应变率实验

2．4．2 动态拉伸实验

2．4．3 动态压缩实验

2．4．4 J-C模型参数的确定

2．5 本章小结

3 霍普金森杆实验的有限元模拟

3．1 SHPB有限元仿真

3．1．1 简化模型与网格划分

3．1．2 材料属性和边界条件

3．1．3 数值求解与结果分析

3．2 SHTB有限元仿真

3．2．1 简化模型与网格划分

3．2．2 材料属性和边界条件

3．2．3 数值求解与结果分析

3．3 本章小结

4 复合材料动态力学性能的计算细观力学模拟

4．1 平面计算细观力学模型的建立和求解

4．1．1 平面有限元模型

4．1．2 材料模型

4．1．3 有限元网格划分

4．1．4 边界条件与加载

4．2 求解结果和对比分析

4．2．1 动态压缩计算结果

4．2．2 拉伸计算结果

4．2．3 高温动态压缩计算及结果分析

4．2．4 J-C本构方程的拟合

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢