复合材料学报ActaMateriaeCompositaeSinica

文章编号:1000-3851(2005)05-0031-08

第22卷 Vol 22

第5期 10月 No 5

October

2005年2005

颗粒尺寸对颗粒增强型金属基复合材料动态特性的影响

于敬宇,李玉龙*,周宏霞,徐 绯

(西北工业大学航空学院,西安710072)

摘 要: 利用有限元模型分析了颗粒增强型金属基复合材料(PMMCs)Al/SiC的颗粒尺寸对复合材料在不同应变率下的动态特性的影响。采用有限元三维立方体单胞模型嵌入单个和多个球形增强颗粒,颗粒直径分别为16 m和7 5 m,多颗粒模型内部颗粒随机分布。基体材料假设为弹塑性,应变强化及应变率强化均符合指数规律。模拟结果表明:颗粒尺寸、颗粒体积含量及应变率对金属基复合材料的动态特性的影响是相互耦合的。颗粒体积含量一定时,颗粒尺寸越小,复合材料流动应力越高;颗粒含量越高,材料流动应力越高;应变率越高,材料流动应力越高。关键词:

有限元;颗粒尺寸;应变率;金属基复合材料

中图分类号: TB331 文献标识码:A

INFLUENCEOFPARTICLESIZEONTHEDYNAMICBEHAVIOROFPMMCs

YUJingyu,LIYulong*,ZHOUHongxia,XUFei

(SchoolofAeronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi an710072,China)

Abstract:

Theinfluenceofparticlesizeonthedynamicbehaviorofparticle-reinforcedmeta-lmatrixcomposites

wasinvestigatedthroughthefiniteelementmethodunderdifferentstrainrates.Thethree-dimensionalcubicunitcellmodelswhichcontainedoneorseveralSiCparticleswereemployed.Thediametersoftheparticleswere16 mand7 5 m,separately.Andthearrangementofthemult-iparticlesinsidetheunitcellmodewasrandom.Thestress-strainbehaviorofthematrixmaterialisassumedtobepower-lawstrainhardeningandcoupledwithpower-lawstrainratehardening.ThesimulationresultsshowthattheinfluenceofparticlesizeonthedynamicbehaviorofPMMCsiscoupledwiththevolumefractionoftheparticleandthestrainrate.Thesmallerthediameteroftheparticle,thebet-terthereinforcedeffect,whenthevolumefractionoftheparticlesisconstant.Theflowstressincreaseswiththein-creasingoftheparticlevolumefractionandstrainrates.

Keywords: finiteelementmethod;particlesize;strainrate;meta-lmatrixcomposites

金属基复合材料(MMCs)特别是短纤维或陶瓷颗粒增强金属基复合材料(PMMCs)由于其具有较高的比刚度、比强度及较好的耐磨性、热稳定性等力学性能并制备成功能梯度材料而在工业应用上具有很大的吸引力。随着对颗粒增强型金属基复合材料研究的不断深入,人们发现颗粒增强金属基复合材料的力学行为很大程度上受颗粒形状、颗粒体积含量、基体特性以及颗粒尺寸的影响[3~6]。近年来,越来越多的理论和实验研究证实[5,7,8~11],增强颗粒尺寸对非匀质材料系统的变形与断裂的影响显著。与其他材料类似,材料的强度与韧性不能

[1,2]

兼而有之。一方面,颗粒尺寸对提高材料的屈服强度和改善材料的塑性变形硬化行为有着重要的影响;另一方面,颗粒的破坏开裂及与基体的脱粘最终又将导致材料的韧性降低。Lloyd[7]通过实验研究发现,对于SiC颗粒增强的Al基复合材料,同样的颗粒体积含量(15%)下,颗粒尺寸比较小的复合材料有较高的屈服应力。刘龙飞等[8,9]和Zhang等[12]的试验表明:PMMCs的力学行为不但受到颗粒尺寸的影响,而且与应变率紧密相关。凌中

[13]

的实验研究了2124Al/SiC复合材料变形行为与微结构效应,发现材料的屈服应力主要取决于微结构

收稿日期:2004-10-18;收修改稿日期:2005-03-10

基金项目:国防基础科研项目 新型抗毁伤功能梯度材料的优化技术研究 (J1600E001)通讯作者:李玉龙,教授,博士生导师,长江学者,研究方向:结构及材料的动态破坏 E-mail:liyulong@nwpu edu cn