基于内聚力模型的单胞颗粒复合材料损伤行为研究

基于材料的细观结构等效颗粒相、基体相以及界面相,采用非线性有限元软件建立了复合材料的三相单胞模型,模拟了界面从出现初始损伤到裂纹完全扩展、界面脱粘的全过程。借助数值模拟,探讨了界面初始线性模量、界面结合强度和界面能量释放率对材料损伤演化规律的影响。结果表明,当载荷较小时,界面完好结合,可以起到在颗粒与基体间很好地传递应力的作用;当载荷达到界面的最大应力时,界面无法继续承载,开始出现初始损伤;当载荷继续增大时,界面承载能力下降,界面进入损伤扩展阶段直至界面应力为零,界面完全脱粘失效。在静水拉力的作用下,当界面能量释放率较大时,界面发生完全脱粘所需的分离位移也随之增加,脱粘的时间较晚。     

CF/Al复合材料横向拉伸渐进损伤与弹塑性力学行为

针对真空压力浸渗制备的单向碳纤维增强铝合金复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其横向拉伸损伤演化和断裂力学行为,并分析了界面对复合材料横向拉伸力学性能的影响。结果表明,基于基体合金延性损伤和界面内聚力损伤本构所建立的细观单胞有限元模型,可以实现CF/Al复合材料横向拉伸弹塑性力学响应的计算和预测。复合材料横向拉伸时先后发生界面损伤、界面失效以及基体损伤累积与失效现象,界面损伤脱粘并诱发基体塑性损伤和失效是导致复合材料横向断裂的主要机理。增加界面强度有利于提高横向拉伸屈服强度和极限强度,界面刚度对极限强度影响不大,但增加界面刚度可有效提高复合材料横向拉伸弹性模量。     

C_f/Al复合材料横向拉伸微观损伤与力学性能的有限元分析

根据石墨纤维增强铝基复合材料(C_f/Al基复合材料)显微组织特征构建了其代表性体积单元(RVE),通过基体合金的延性损伤模型和纤维的最大应力失效模型,建立了基于内聚力界面模型的细观力学有限元模型并结合试验结果验证了其可靠性,在此基础上分析了纤维含量对复合材料横向拉伸损伤演化与力学行为的影响。结果表明,基于正六边形纤维排布RVE建立的细观力学模型能够准确预测复合材料横向拉伸力学性能。横向拉伸过程中首先发生界面损伤,随应变增加界面损伤累积,引起局部界面失效并诱发附近基体合金的损伤与失效,最终导致复合材料横向开裂,拉伸断口呈现界面脱粘和基体合金撕裂共存的微观形貌。提高纤维含量增加了界面数量和面积,从而降低了复合材料横向拉伸弹性模量和极限强度。     

单向石墨纤维增强铝合金复合材料轴向压缩损伤演化与断裂力学行为研究

针对单向石墨纤维增强铝合金复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟与准静态压缩试验相结合的方法研究了其轴向压缩渐进损伤与断裂力学行为,并分析了纤维体积分数对CF/Al复合材料压缩力学性能的影响。结果表明,基于纤维正六边形排布RVE建立的细观力学有限元模型对CF/Al复合材料轴向准静态压缩变形力学行为的计算结果与实验结果吻合良好。复合材料轴向压缩时首先在界面处发生损伤,界面损伤的累积随后引起局部界面失效并诱发基体合金的损伤,变形后期纤维发生失效并导致复合材料产生轴向45°压缩破坏,压缩断口呈现出界面脱粘和局部纤维断裂共存的微观形貌,表明界面脱粘及其导致的纤维断裂是诱发复合材料轴向压缩失效的主要机理。轴向压缩载荷作用下基体合金塑性变形损伤后不易发生失效,纤维性能是决定复合材料轴向压缩力学性能的主要因素,增加纤维体积分数有利于提高复合材料的轴向压缩弹性模量和极限强度。     

陶瓷基复合材料结构固有频率与内部损伤分析

通过室温条件下的循环加卸载试验,研究编织SiC/SiC复合材料固有频率特性及内部损伤演化过程。结果表明:固有频率随循环加卸载过程中峰值应力的增大而减小,通过分别定义频率衰退参数Φ与模量衰退参数D表征了复合材料固有频率与弹性模量的折减程度。基于细观力学理论对编织陶瓷基复合材料循环加卸载迟滞回线进行理论计算,理论模拟结果与试验数据良好吻合。同时,分析计算结果还发现,随着循环加卸载过程中Φ的增加,材料弹性模量衰退参数D、界面脱粘比2l_d/l_c和纤维断裂概率q均呈明显上升趋势,当陶瓷基复合材料结构固有频率衰退1%时,基体出现开裂,界面发生脱粘;当固有频率衰退4.17%时,2l_d/l_c上升至1（即完全脱粘）,q增加到2.5%,这表明复合材料固有频率的变化可以反映出材料内部的损伤失效过程。     

横向压缩载荷下CF/Al复合材料微观损伤演化与断裂力学行为

针对真空压力浸渗制备的单向碳纤维增强铝基复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟和实验相结合的手段研究了其在横向压缩载荷下的损伤演化与断裂力学行为,并分析了界面结合性能和纤维体积分数对复合材料横向压缩力学性能的影响。结果表明:基于纤维对角正方形分布RVE建立的细观力学有限元模型,可以较好地计算预测复合材料横向压缩变形力学行为。压缩变形初期界面首先发生损伤和失效现象,进而诱发界面附近基体合金的局部损伤;随压缩应变增加,界面和基体损伤逐渐发展并导致纤维的失效,复合材料横向压缩断口呈现出界面脱粘和纤维断裂共存的微观形貌。复合材料横向压缩弹性模量和极限强度随着界面强度增大而增大,而受界面刚度的影响较小;在相同界面性能条件下,复合材料横向压缩极限强度和弹性模量均随纤维体积分数的增大而减小。     

颗粒团聚对Al基SiC颗粒增强复合材料的流变形为影响

基于微观组织的有限元分析模型,研究颗粒团聚对Al基SiC颗粒增强金属基复合材料流变行为的影响。通过建立的3种增强颗粒分布的胞元模型（一个团聚现象、两个团聚现象和随机分布）,分析讨论基体和增强颗粒中的等效应力和等效应变的分布规律,以此为基础,获得3种颗粒分布模型下的SiC颗粒增强Al基复合材料的应力应变曲线。结果表明：颗粒增强金属基复合材料的流变行为和力学响应与增强颗粒的分布非常敏感,但在弹性变形阶段这种影响就相对较弱。从增强颗粒的最大主应力分布来看,颗粒团聚增加了SiC颗粒开裂的概率。从基体的静水应力分布来看,颗粒团聚将促进早期的界面脱粘和在韧性基体中形成微空洞。     

原位自生TiB2／7055复合材料的组织与力学性能

对原位自生亚微米TiB2/7055铝基复合材料的微观组织与力学性能进行了研究.结果表明,采用混合盐法反应工艺制备的TiB2含量为12%的7055复合材料.颗粒形状大小均匀,尺寸在200～500 mm之间,适量加入活性元素Mg,可以改善TiB2颗粒与铝基体界面润湿性,有效抑制颗粒的团聚,抗拉强度达到718 MPa,屈服强度达到679 MPa,伸长率达到4.2%,弹性模量达到86 GPa,复合材料拉伸断口呈韧性断裂特征,TiB2与基体界面的破坏以脱粘机制为主.     

共晶复相陶瓷细观结构对抗冲击强度的影响

通过共晶复合陶瓷的细观强度和动态破坏准则建立起微观结构参数与抗冲击强度间的内在关系。首先,根据共晶复合陶瓷的微观特征,用相互作用直推法和有效简化算法获得复合陶瓷的有效应力场。然后,应有等效夹杂法和Griffith 微裂纹扩展理论预报了共晶复合陶瓷的细观力学强度。进而,应用统一压剪理论建立冲击区的动态破坏准则。最后,应用与微观结构相关的动态破坏准则建立冲击强度计算模型。定量分析了微观结构参数对冲击强度的影响,结果表明：共晶体间界面缺陷尺寸越小及共晶体刚度越大,抗冲击强度越大。     

含随机分布弧形微裂纹陶瓷复合材料的强度预报

针对颗粒性陶瓷复合材料内存在大量界面弧形微裂纹现象,通过考虑夹杂与微裂纹的相互作用,利用二相胞元法推导出夹杂与微裂纹共同作用引起的扰动应变和本征应变.根据微裂纹的本征应变确定了复合材料自由能的变化,进而计算出弧形微裂纹的能量释放率,由材料的破坏条件可获得不同外载条件下的强度.结果表明:复合材料的强度与第二相颗粒的尺寸和内界面脱粘区域有关,颗粒直径越小,强度越高;界面脱粘微裂纹角度越小,强度越高;而微裂纹的分布形态和体积分数对复合材料的强度影响很小.     

莫来石纤维对氧化铝陶瓷性能的影响

选用莫来石纤维为增强体,通过添加适量的烧结助剂,制备莫来石纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料,探讨了不同烧结温度和不同纤维含量对复合材料性能的影响规律.结果表明:莫来石纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的相对密度、弯曲强度和断裂韧性随烧结温度和纤维含量的增加先增大后减小,当烧结温度为1450 ℃、纤维含量为15%时,复合材料的弯曲强度、断裂韧性最高,复合材料弯曲强度和断裂韧性分别达到502.36 MPa和3.48 MPa·m~(1/2),比基体材料分别提高63.8%和54.7%;相对密度达到98.41%.纤维的拔出和脱粘消耗了大量的能量,是莫来石纤维增强氧化铝陶瓷复合材料力学性能提高的主要原因.     

改善颗粒增强金属基复合材料塑性和韧性的途径与机制

评述了影响颗粒增强金属基复合材料塑性和韧性的各种因素,在此基础上深入研究了颗粒形状对ＳｉＣｐ／ＬＤ２复合材料塑性和断裂韧性的影响规律。采用有限单元法分析不同形状的ＳｉＣ颗粒增强的ＬＤ２复合材料的微区力学环境和整体力学行为,结果表明颗粒的尖锐化导致基体内应变集中和颗粒尖端断裂的可能性加剧,因而降低材料的塑性;而在外加载荷的作用下,由于复合材料基体整体均处于较高的加工硬化状态,因此颗粒形状对材料断裂韧     

Mechanical and dielectric properties of Ni/Al2O3 composites

Ni/Al2O3 composites were prepared by hot pressing approach. The relationship between their microstructure, mechanical, dielectric and magnetic properties with Ni particle content was studied. By increasing the amount of metal in the composite, the relative density and the bending strength decrease gradually. The possible reason is that non-wetting between Ni and alumina in the preparation results in weak adhesion of the Ni/A; interface. For the composites, the maximum fracture toughness is 6.4 MPa. m^1/2, which is about 25% higher than that of pure alumina ceramic. The increase in toughness of the Ni/Al2O3 composites is due to the deformation of nickel particles. The complex dielectric constant measurements indicate that the real part and the imaginary part increase greatly with the Ni content in the frequency range of 8.2-12.4 GHz. The real part and the imaginary part of complex permeability of the composites also increase with increasing Ni content.     

搅拌摩擦加工制备NiTip/WE43镁基复合材料

本研究提供了一种采用搅拌摩擦加工（FSP）制备NiTi颗粒增强WE43镁基复合材料的有效手段。采用SEM结合EDS对FSP试样的微观结构进行了研究，采用XRD进行了物相分析。结果表明，制备的复合材料具有形状记忆效应。较低的加工温度有效地阻止了NiTi颗粒与Mg基体在FSP过程中的界面反应。无论粒径大小，在FSP后，NiTi颗粒都均匀分布在Mg基体中。此外，与Mg基体相比，NiTi/WE43复合材料的屈服强度、极限拉伸强度和延伸率分别降低了33%、12%和18%。随着加入的NiTi颗粒尺寸的增大，该复合材料拉伸强度和延伸率均降低。复合材料的失效机理是颗粒之间的界面开裂以及增强颗粒的断裂。     

TiC-TiB2细晶陶瓷凝固组织、断裂行为与原位增韧

通过采用超重力下燃烧合成制备TiC-TiB2细晶陶瓷,研究了陶瓷凝固组织与晶体生长特征,探讨了陶瓷显微组织与断裂行为、增韧机制的关系。XRD、FESEM与EDS分析表明,TiC-TiB2复合陶瓷基体主要由大量细小的TiB2片晶及分布其周围的形状不规则的TiC相构成,TiB2片晶的形成是因其小平面晶体生长特性所致,而不规则TiC的晶体形貌则是因非小平面晶体生长特性及高的生长速率所造成的。陶瓷相对密度、硬度(HV)、弯曲强度及断裂韧度分别为98.6%、21.8GPa、650MPa、12.5MPa·m1/2,并且陶瓷增韧是小尺寸TiB2片晶的裂纹偏转、裂纹桥接、片晶拔出及摩擦互锁原位增韧机制协同作用的结果。     

Fabrication and fracture toughness of macro-toughening-designed composite

lINTR0DUCTIONParticleReinforcedMetalMatrixC0mp0s-ites(PMMCs)havehighspecificstrength,spe-cificmodulus,elevatedtemperatureproperties,res1stancetowearandlowcost.However,com-paniedlowductilityandtoughnessisonemainobstacletotheirapplicationforengineeringL','j.ManystudiesonSiCparticlereinforcedalu-.minum.ll.y.['v']showthattheadditionofpar-ticlenotonlyrefinesmatrixgrainbutalsoresultsinhighdensitydislocationsinthematrixneartheinterface.Particlesblocklong-distance-slipofthedislocationsinthema…     

无压浸渗法制备SiC-Al复合材料的断口分析

采用SEM、EDX等分析技术对无压浸渗法制备SiC／Al复合材料的断口形貌进行了分析。结果表明，该类材料的断裂包括基体韧断、界面脱开和增强体颗粒断裂三种方式，该类复合材料的强化效果取决于基体与界面结合的关系；对该复合材料的断裂机理进行了分析讨论，SiC颗粒断裂和SiC颗粒相互搭接处与基体界面脱粘是微裂纹萌生的主要原因。     

Fabrication and mechanical properties of microalloyed and ceramic particulate reinforced NiAl-based alloys

NiAl-based alloys and their composites reinforced with in situ formed TiC and externally added ceramic particles are fabricated by hot-pressing. Their microstructures and mechanical properties are evaluated. Comparatively, the Ti- and/or C-alloyed NiAl and the ceramic particulate reinforced composites possess a significant improvement in both flexural strength fracture toughness at room temperature. Nevertheless, the NiAl–TiC-nano-Al₂O₃ composite has low strength, mainly due to the existence of residual porosity, inhomogeneous distribution and severe agglomeration of nano-scaled Al₂O₃ particle within the NiAl matrix.     

The influence of powder characteristics on mechanical properties of Al2O3–TiC–Co ceramic materials prepared by Co‐coated Al2O3/TiC powders

Ultrafine Al₂O₃–TiC–Co (ATC) ceramic is prepared in order to improve the bending strength and fracture toughness of ceramic materials. The ultrafine Co‐coated Al₂O₃ and TiC powders have been synthesized by electroless plating at room temperature, and the composite powders were sintered by hot‐pressing to compact ATC samples. The average bending strength, average hardness and average fracture toughness values of ATC ceramic with different particle sizes and Co contents were investigated. The toughening mechanism of the ultrafine ATC ceramic was studied by transmission electron microscopy (TEM) and ceramic performance testing methods. The results show that the relative density, bending strength and fracture toughness values increase remarkably with the increase of Co content. The ultrafine grain of original powders is beneficial to improve the relative density, strength and toughness values of ATC ceramic. The Co phase hinders the growth of ATC ceramic grains during sintering. The Co phase forms a three‐dimensional mesh skeleton structure during sintering, improving the fracture toughness and strength of the composite ceramic.     

燃烧合成-热压制备Al_2O_3-TiC-ZrO_2纳米复合陶瓷的力学性能与显微结构

以ＴｉＯ２,Ａｌ;Ｃ,纳米 ＺｒＯ２粒子为原料,利用燃烧合成－热压工艺制备了Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ－ＺｒＯ２纳米复合陶瓷．添加ＺｒＯ２可使 Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ断裂方式由沿晶断裂转变为穿晶断裂．ＺｒＯ２纳米粒子弥散于基体中,其周围产生的应力集中可引发位错,起到亚晶界的作甲,并可使位错钉扎、堆积,阻碍位错运动,从而使复合陶瓷的力学性能得到明显改善：抗弯强度为７０６ＭＰａ,提高幅度达１９．８％;断裂韧性为 ６．３ ＭＰａ·ｍ１／２,提高幅度１８．９％;洛氏硬度为 ９４．４．