金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响.pdf

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1、第25卷第3期固体力学学报VOI.25NO.32004年9月ACTAMECHANICAS0LIDASINICASeptember2004金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响!熊黎明李振环陈传尧王乘（华中科技大学力学系，武汉，430074）摘要基于SiC/AI基复合材料中的SiC颗粒周期性排布的假设，采用轴对称体胞方法研究了金属基复合材料中的热残余应变场与粒子形状、体积分数等参数间的内在联系；在此基础上，探讨了热残余应变对夹杂内部和基体-夹杂界面的应力集中因子的影响.所得结果对于理解热残余应变对空洞形核的影响有参考价值.关键词体胞，有限元，热失配，残余应

2、力，应力集中!引言观模量的影响，但关于热残余应变对第二相颗粒周复合材料中各相材料热胀系数的不匹配必然导围的细观应力应变场影响的研究还不多见.致残余应力/应变的产生，宏观上，残余变形的存在基于上述认识，本文采用轴对称体胞模型，分析会影响材料的宏观模量（弹性常数、热胀系数、屈服了热加工过程中由于两相材料热膨胀系数不匹配所应力等），进而引起材料拉压性能的不同［l，2］；细观导致的残余应变场，在此基础上，研究了加载过程中上，热残余应变会加剧材料的粒子断裂或基体/粒子热残余应变对夹杂内部及夹杂/基体界面上应力应界面微开裂，从而诱发孔洞和微裂纹的形成和扩展.变场的分布，所得结果对深

3、入研究颗粒增强复合材因此，研究热残余应变对金属基复合材料力学行为料中微孔洞的形核机制有参考价值.的影响有重要的理论和实际意义."体胞模型近年来，复合材料中的热残余应变场及其对材对于颗粒夹杂呈周期性排布的金属基复合材料宏细观力学行为的影响问题引起了越来越多的关料，可以将其认为大量含有颗粒的六棱柱体胞的聚合体［8］，为简化计算并不失一般性，进一步简化为轴注，Wissuchek实验研究了玻璃制品中难熔球形颗粒（ZCr203，SiC）所导致的残余应力场，并通过数值计对称圆柱体胞来分析（图l，!l沿半径方向，!2沿轴向）"体胞中的长椭球、扁椭球形夹杂示意如图l"算给出了残余应力场

4、的近似形式，较好地预测了玻璃制品中缺陷的性态［3］；VaIeriaCanniIIO等人［4］采用二维有限元方法计算得到了不同形状的片状AI203增强的玻璃基体中的热残余应力场，并与实验结果吻合较好；Hu等［5］基于割线模量近似，从理论上分析了热残余应力对复合材料宏观力学行为的影响，认为热残余应力会导致长椭球夹杂增强基复合材料的压缩硬化，扁椭球则不然，该理论结果与实验结果［6］吻合较好；丁向东等［7］通过有限元分析认为在拉伸和压缩载荷下，热残余应力可导致不对称的应图l椭球形颗粒示意图力分布，并会降低拉伸时的应力传递，加强压缩时的应力传递；针对晶须增强金属基复合材料.显然，

5、上为了探讨夹杂形状对细观应力应变场的影响，述工作大都侧重于探讨热残余应变场对复合材料宏本文考虑了两种椭球形的夹杂（如图l），其纵横比!国家自然科学基金（Al0l02006）资助.2003-09-23收到第l稿，2004-03-30收到修改稿.·366·固体力学学报2004年第25卷可定义为瞬时位移.!=6/a（l）得到残余应力场后，在在室温（20C）下进行单对于长椭球，!>l；而对于扁椭球，!

6、过程导致的温度场时，计算残余应力场时考虑了夹杂和基体材料的热给定边界上的热对流系数力学参量随温度变化的因素（表l）；温变结束后，在当x2·Cl=R时，"=500w/m室温（20C）下进行单轴加载分析时，SiC颗粒为线{（2）当x=H时，"=500w/m2·C弹性材料，铝基为硬化指数I=0.l的幂硬化材料，2温度场分析结束，将得到的结果以状态变量的服从Mises屈服准则，应力应变关系满足形式施加到模型中，以500C为初始条件进行残余E$，$!$ys#={I（5）应力场的分析，为了模拟体胞周围材料的约束及夹#y（s$/$ys），$>$ys杂间的相互作用，边界条件如下采用考虑

7、温度影响的J2流动理论的本构方ì当x=0时，U=0程［9］时，考虑材料性质依赖于温度，热弹塑性问题的llïï当x2=0时，U2=0应力-应变的增量关系í（3）ï当xl=R时，Ul=Uld#=De（pd$-d$0）+d#0（6）ïî当x2=H时，U2=U2其中，Dep为热弹塑性矩阵，d#0，d$0分别为温度变化式中，Ui是位移分量，R和H分别为体胞的瞬时半dT所引起的应力应变增量.材料特性常数温度的简径和高度，Ul为体胞径向瞬时位移，U2为体胞轴向单关系见表l.表"SiC颗粒和Al的热力学参量比热热传导率杨氏模量热胀系数屈服应力温度材料泊松