混杂增强金属基复合材料力学性能的拟实研究

摘要

随着时代的发展，社会各方面对高性能材料的需求越来越广泛，单纯的金属或合金在很多应用领域已经无法满足力学性能方面的要求。由于拥有高比强度、高比刚度、耐高温和耐腐蚀性能，非连续增强复合材料成为近年来研究的热点。复合材料由增强体和基体组成，增强体和基体的不同含量、形貌、分布等都会对复合材料的力学性能产生很大影响。为了能够通过计算机数值模拟来计算现有复合材料的力学性能，并为将来预测不同增强体含量、形貌、分布的复合材料的力学性能，本文研究了一种新的三维随机有限元模型，可以用来模拟混杂增强复合材料的力学性能。并以(TiB+TiC)/Ti6242 钛合金基混杂增强复合材料为例，做了如下研究： 1. 研究了混杂增强复合材料的力学性能与微观结构的关系，根据其微观结构特点，并基于随机序列吸附（RSA）方法，提出了短纤维和颗粒混杂增强的三维随机有限元模型。该模型通过Visual C++编写程序实现，可以直接导入通用有限元软件生成位置及取向随机分布的多纤维多颗粒的代表体积单胞模型；同时可以根据模拟的不同的复合材料，对短纤维和颗粒增强体的含量，及短纤维增强体的长径比，取向分布规律等进行任意调整，可适合各种不同的混杂增强或单独增强复合材料微观结构的模拟。 2. 利用上述模型，对原位合成TiB 纤维和TiC 颗粒混杂增强的钛合金基复合材料(TiB+TiC)/Ti6242 进行了研究。通过对增强体体积含量为8％，纤维状增强体按标准正态分布的模型模拟加载，并对比实验测试结果，证明该模型对混杂增强的复合材料的模拟较为精确，计算得复合材料的弹性模量和屈服强度同拉伸实验获得的结果一致。同时，模拟结果表明，在纤维状增强体中，平行于加载方向的增强体承载了最大的应力，而与加载方向约呈45 度角的增强体承受的应力最小；颗粒状增强体承受的应力相比平行于加载方向的纤维状增强体要小很多；基体中应力在加载方向上靠很近的增强体之间较高。 3. 模拟了不同增强体含量（3％和8％）对复合材料整体力学性能的影响，结论同拉伸试验结果一致，即，增强体含量的增加，将使复合材料的弹性模量和屈服强度提高，并推测其延伸率下降；同时研究了纤维状增强体取向分布规律对复合材料力学性能的影响，分别模拟了纤维状增强体按照σ=0.5、σ=1.0、σ=2.0正态随机分布及三维均匀随机分布的单胞模型；其中与真实(TiB+TiC)/Ti6242 复合材料形貌最接近的，按照σ=0.5正态随机分布的单胞模型，计算得到的弹性模量和屈服强度与实验结果也一致。 4. 作为对照，这里采用三种不同排布的轴对称模型同样模拟了增强体体积含量为8％的复合材料的力学性能，结果是不同排布的轴对称模型之间，计算结果几乎没有区别，但是相比三维标准正态分布模型的结果，利用轴对称模型计算的弹性模量和屈服强度的误差较大。上述研究证明了该三维随机模型在混杂增强金属基复合材料力学性能模拟中的良好表现，并为以后模拟其他各种非连续增强复合材料的性能打下了良好的基础，使较为精确地预测不同增强体含量、形貌、分布的复合材料力学性能成为可能。