SiCp/2024Al复合材料的动态压缩及拉伸性能研究

论文摘要

颗粒增强金属基复合材料与基体金属材料相比具有低密度、高比刚度、高比强度等优点,广泛应用于军工,机械,电子等领域。由这些材料制成的部件在应用过程中不可避免地会受到动态载荷的作用,而材料在动态载荷作用下的力学性能与准静态载荷作用下的力学性能往往有着显著的不同,因此有必要对该类材料的动态力学性能进行研究。本文针对高体积分数颗粒增强金属基SiCp/2024Al复合材料的动态力学性能进行了实验和数值模拟两方面研究,主要研究内容包括:采用分离式霍普金森压杆研究了40.vol%和50.vol%SiCp/2024Al复合材料在2500s-1以上的高应变率下的动态压缩性能,得到了不同应变率下的应力应变曲线。研究结果表明,对于动态压缩,40.vol%SiCp/2024Al复合材料表现出了很好的延性,较基体材料而言,弹性模量提高,屈服应力增大。应变率对40.vol%SiCp/2024Al复合材料的流动应力没有明显的影响。与基体材料的应变硬化性能不同的是,40.vol%SiCp/2024Al复合材料表现了应变软化性能。50.vol%SiCp/2024Al在高应变率下体现出了明显的脆性特征。为了解释SiCp/2024Al复合材料的变形破坏机理,采用高速摄影机对实验过程进行了宏观拍摄,同时利用扫描电子显微镜（SEM）对压缩试件进行了微观组织分析。由观察得到,在高应变率下40.vol%SiCp/2024Al复合材料的应变软化现象是由于内部损伤与铝基体热软化共同作用的结果。而在50.vol%SiCp/2024Al的断面处可以观察到颗粒的破坏和局部基体的熔化,这可以解释50.vol%SiCp/2024Al在高应变率下表现出的劈裂破坏的特性。同时,利用霍普金森拉杆系统对SiCp/2024Al复合材料的动态拉伸性能进行了初步的研究。结果表明,SiCp/2024Al复合材料在拉伸下表现出明显的脆性,与2024Al基体材料相比,性能下降明显;同时与SiCp/2024Al复合材料本身的压缩性能相比,拉伸性能下降也很明显。本文还利用有限元软件LS-DYNA建立了二维轴对称单胞模型,模拟动态加载实验过程,并研究了颗粒体积分数,颗粒长径比等因素对于SiCp/2024Al复合材料动态力学性能的影响规律。通过模拟发现,随着颗粒体积分数的增大和颗粒长径比值的提高,复合材料的屈服应力值和流动应力值增大,应变硬化现象变小,直至产生应变软化现象。针状颗粒与盘状颗粒存在结果对称现象,但针状颗粒的增强效果更加明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 金属基复合材料简介
• 1.2.2 金属基复合材料的应用
• 1.3 金属基复合材料力学性能研究现状
• 1.3.1 实验研究
• 1.3.2 数值模拟研究
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 动态加载装置的实验原理和技术
• 2.1 霍普金森杆试验原理
• 2.2 实验理论基础
• 2.2.1 两弹性杆的相互撞击
• 2.2.2 材料动态应力－应变关系的测定
• 2.3 霍普金森杆动态试验装置
• 2.4 动态压缩实验测试
• 2.5 小结
• 第3章 SiCp/2024Al复合材料的动态拉压试验
• 3.1 材料的制备
• 3.2 SiCp/2024Al复合材料的动态压缩实验
• 3.2.1 2024Al基体材料的动态压缩实验
• 3.2.2 40.vol% SiCp/2024Al动态压缩试验
• 3.2.3 50.vol% SiCp/2024Al动态压缩试验
• 3.3 SiCp/2024Al复合材料的动态拉伸实验
• 3.3.1 拉伸试件与连接方式
• 3.3.2 2024Al基体材料的动态拉伸实验
• 3.3.3 40.vol% SiCp/2024Al动态拉伸试验
• 3.4 本章小结
• 第4章 SiCp/2024Al变形机理分析
• 4.1 高速摄影宏观分析
• 4.2 扫描电镜（SEM）微观照片分析
• 4.2.1 扫描电子显微镜原理
• 4.2.2 微观结构分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 SiCp/2024Al动态数值模拟研究
• 5.1 单胞模型
• 5.1.1 模型的建立
• 5.1.2 材料的本构模型
• 5.1.3 边界条件及载荷的施加
• 5.2 数值计算结果
• 5.3 颗粒体积分数的影响
• 5.4 颗粒长径比的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢