含裂纹金属梯度材料的剩余强度研究.pdf

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1、·机械制造·支利勇，等·含裂纹金属梯度材料的剩余强度研究含裂纹金属梯度材料的剩余强度研究支利勇，郭树祥(南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点试验室，江苏南京210016)摘要：开展了含裂纹金属梯度材料剩余强度的试验和数值模拟研究，完成了含缺口TC4一TC11金属梯度材料的三点弯试验，基于梯度扩展有限元方法，建立了I型裂纹金属梯度材料的剩余强度分析模型，结合交互式能量积分方法计算应力强度因子，引入K判据，建立了含I型裂纹金属梯度材料的剩余强度分析方法。并将模型的计算结果和试验结果进行对比，验证了该方法的有效性。基于该有限元方法详细讨论了材料参数对其剩余强度的影响规律，并得到了一些有用的结论

2、。关键词：梯度材料；I型裂纹；梯度扩展单元法；剩余强度中图分类号：TH123．3文献标志码：A文章编号：1671—5276(2015)04-0017—03ResearchonRc!sidualStrengthofMetalGradedMaterialsZHILiyong．CUOShuxiang(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，StateKeyLaboratoryofMechanicsandControlofMechanicalStructures．Nanjing210016．China)Abstract：Inthispaper．the

3、residualstrengthofmetalgradientmaterialswithlcracksisobservedthroughthetestandthenumericalsimulation．Athree—pointbendingtestofTC4一TCI1metalgradientmaterialwithnotchesiscompleted．Themodeloftheresidualstrengthisbuilttohavearesearchonmetalgradientmaterialwithcracks，basedontheextendedfiniteelementmethod

4、．Thestressintensityfactoriscalculatedbytheuseoftheextendedfiniteelementmethodofinteractiveenemyintegra1．Comparingtheexperi—mentalresultswiththecalculatedresults，themodelisverifiedtobevalid．Theinfluenceofthematerialparametersontheresidualstrengthisdiscussed，basedonthefiniteelementmodeltogetsomeuseful

5、conclusions．Keywords：metalgradedmaterials；Icrak；gradedextensionelement；residualstrength0引言了梯度材料的准静态断裂。陈康等在扩展有限元的框架下开发了一种“梯度扩展有限单元”，采用细观力学方金属梯度材料是指两种或多种金属材料的组分体积法描述材料变化的物理属性．结合交互能量积分计算得到沿着特定方向按一定规律连续梯度变化，材料的性能和功裂纹尖端的应力强度因子。现采用梯度扩展单元法研究能也呈现梯度变化的一种新型复合材料，是功能梯度材料金属梯度材料的剩余强度。的一种。20世纪末由日本科学家首先提出，经过几十年的发展，

6、其优异的热力学性能使得它在航空航天、生物医学、1试验核工程等领域得到了广泛的使用：因此．研究金属梯度材试验件由TC4与TC11两种材料经激光成形加工而料的断裂特性有着重大的工程实际意义。成，缺口预置于TC11侧，TC4与TCI1材料的过渡区位于目前对于金属梯度材料的研究主要有理论研究、试验试件中面，试件厚度为12mm，试件含预置8mm深缺口。研究和数值模拟三种方法。在理论研究方面，Erdoganl】J、试件加工时，缺口处有燕尾槽，用于安装固定COD规以测果立成l2]、李春雨等分别用半解析研究了梯度材料裂纹量裂纹张开位移，试件中间大约有1mm的梯度层。试验尖端应力强度因子。Anlas等研究发现传

7、统J积分由于件如图l所示不再有积分路径无关性．所以不能用于梯度材料的应力强度因子计算。在试验方面，Jin等【5]采用粉末冶金法制备了ZrO，／NiCr功能梯度材料，测量了材料的弯曲强度和弹性模量。Moon等_6]借助三点弯试验研究了含多层~／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／AI，O／ZrO，材料的断裂性能。有限元方面，Kim等采用相互作用积分和有限元的方法研究了正交异性功能