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。     

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。     

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。     

基于细观力学有限元法的碳纤维增强铝合金复合材料横向拉伸行为研究

针对真空压力浸渗制备的碳纤维增强铝合金复合材料（CF/Al复合材料）,分别采用延性损伤本构和内聚力界面本构定义基体合金和界面的损伤演化与失效行为。建立其细观力学单胞有限元模型,数值模拟获得了复合材料横向拉伸变形中基体合金和界面的细观损伤演化和失效过程,通过复合材料横向拉伸应力-应变试验曲线与数值模拟曲线对比,验证所建立细观力学有限元模型的可靠性。结合力学试验和拉伸断口分析,探索CF/Al复合材料横向拉伸变形时断裂力学行为规律及其失效机理。     

熔融石英颗粒复合材料的断裂行为

本文研究了熔融石英颗粒复合材料的力学行为。结果表明,这种复合材料的弹性模量和断裂表面能与弥散于基体中的颗粒体积分数成正比,而断裂功随颗粒体积分数呈指数增加。认为颗粒与基体间弱界面的解聚是熔融石英颗粒复合材料韧化的原因。复合材料的弯曲强度与颗粒体积分数成反比,这是因为视为准裂纹的弱界面,其密度随颗粒体积分数而增加的缘故。抗热冲击损伤参数(R″″),随颗粒体积分数呈指数增加,颗粒体积分数越多,材料的抗热冲击性越好。     

FRACTURE BEHAVIOUR OF FUSED QUARTZ PARTICULATE COMPOSITES

本文研究了熔融石英颗粒复合材料的力学行为。结果表明,这种复合材料的弹性模量和断裂表面能与弥散于基体中的颗粒体积分数成正比,而断裂功随颗粒体积分数呈指数增加。认为颗粒与基体间弱界面的解聚是熔融石英颗粒复合材料韧化的原因。复合材料的弯曲强度与颗粒体积分数成反比,这是因为视为准裂纹的弱界面,其密度随颗粒体积分数而增加的缘故。抗热冲击损伤参数(R″″),随颗粒体积分数呈指数增加,颗粒体积分数越多,材料的抗热冲击性越好。     

Effects of Fiber Volume Fraction on Transverse Tensile Properties of SiC/Ti-6Al-4V Composites

采用有限元法分析了在残余应力和外加横向载荷作用下纤维体积分数对SiC/Ti-6Al-4V复合材料横向拉伸行为的影响。通过弹簧连接纤维与基体界面的重合节点来模拟界面脱粘。结果表明,在界面结合强度一定时,界面脱粘应力(对应于应力-应变曲线上应变的跳跃)受0°方向界面径向残余应力影响较大;在界面脱粘先于基体屈服时,复合材料失效应力(对应于应力-应变曲线上的水平部分)主要取决于纤维体积分数,且体积分数越低,失效应力越高。     

真空压力浸渗制备CF/Al复合材料热收缩与残余应力数值模拟与实验研究

针对连续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与热性能试验结合的方法,研究了真空压力浸渗制备过程中的热收缩行为和热残余应力分布。结果表明,复合材料的横向热收缩应变量远大于轴向热收缩应变量,且具有横观各向同性,纤维随机分布的单胞有限元模型能够准确地预测复合材料轴向与横向热收缩行为曲线;复合材料制备完成后纤维和基体合金分别处于压应力和拉应力状态,基体和纤维的横向残余应力均小于其轴向残余应力,且均表现出横观各向同性;基体合金在轴向残余拉应力作用下会出现不同程度的损伤现象,特别是纤维间距较小部位过高的残余应力会引发界面的局部失效,从而不利于发挥复合材料承载性能,减少纤维局部偏聚是进一步改善提高复合材料力学性能的重要技术手段。     

SiC对SiC/6066铝基复合材料挤压过程力学行为的影响

利用有限元方法分析了SiC颗粒在不同形状、体积分数时对Al基复合材料挤压过程力学行为的影响,并对试样进行了拉伸试验。结果表明,随着SiC颗粒角度减小,颗粒的应力很快增大,基体的应变呈增大趋势;随SiC颗粒体积分数的增大,颗粒的应力、基体的应变以及该复合材料的弹性模量及屈服强度呈增大的趋势。     

2.5维织物C_f/Al复合材料制备及其经纬向拉伸变形力学行为研究

以石墨纤维2.5维机织物为增强体,铝合金ZL301为基体材料,采用真空辅助压力浸渗法制备了2.5维织物Cf/Al复合材料,研究了3种织物预热温度下制备的复合材料相对致密度和微观组织形貌,分析了其界面产物组成与界面结构特征,测试了其经、纬向准静态拉伸变形力学行为并分析了其断口形貌。结果表明:复合材料织物的细观结构完整,内部纤维分布均匀,致密度随预热温度提高而略有上升,界面棒状产物为Al4C3相,其相对含量随预热温度的提高而增加,从而引起复合材料经向和纬向力学性能的下降。复合材料经向拉伸强度高于纬向拉伸强度,且其应力-应变行为呈现出显著的非线性特征,复合材料经向和纬向拉伸变形过程均可划分为3个阶段:初始弹性变形阶段、中间弹塑性变形阶段和最终损伤与断裂阶段。     

骨架结构对SiC/Al双连续相复合材料的影响

用挤压铸造法制备了不同结构的SiC泡沫增强ZL109双连续相复合材料,研究了增强体骨架结构(筋的结构、泡沫孔和体积分数)对复合材料压缩性能和弯曲性能的影响。结果表明:SiC泡沫增强体的筋的结构影响了界面的结合,影响了材料的压缩性能;当筋具有三明治结构时,复合材料的强度最大;当筋具有双层结构时,复合材料的强度最低;随着SiC泡沫孔径的增大,复合材料的压缩强度、弹性模量和屈服强度都有所提高,材料的屈服应变减小,弯曲强度先升高后降低,弯曲强度在泡沫孔径为1.5 mm时达到最大值;复合材料的压缩强度随着增强体体积分数的增大而提高,屈服应变随着体积分数的增大而减小。     

含断裂纤维的SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料纵向性能研究

采用ANSYS有限元法对含断裂纤维的SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料纵向拉伸性能进行分析。结果表明,纤维体积分数越高,该复合材料抗拉强度越高,而相应的应变越低。但纤维体积分数的高低对该复合材料失效模式没有影响。界面剪切强度对该复合材料的抗拉强度和失效模式均有明显影响,低的界面剪切强度导致较低的抗拉强度和渐进的复合材料失效;高的界面剪切强度导致较高的抗拉强度和灾难性的复合材料失效。     

304不锈钢毛细管/Zr_(53.5)Cu_(26.5)Ni_5Al_(12)Ag_3块体非晶合金复合材料的制备与性能研究

采用渗流法成功制备出不同体积分数的304不锈钢毛细管/Zr53.5Cu26.5Ni5Al12Ag3块状非晶复合材料,分析了该复合材料的性能和变形行为.利用万能力学试验机进行性能测试,利用白光干涉轮廓测量仪、X射线三维成像和SEM观察样品表面及断口形貌.结果表明:复合材料的塑性得到显著改善,其中毛细管体积分数为34%时,复合材料的压缩应变可达约20%,同时伴有明显的加工硬化现象,其加工硬化量与毛细管含量有关.复合材料以近45°的剪切方式断裂,表面较为平坦,毛细管撕裂与界面脱粘形成裂纹扩展路径.剪切带的数量随毛细管体积分数增加而增加,毛细管包裹的非晶基体发生剪切变形滞后于毛细管外部的基体.     

循环变形提高SiC纤维增强铝基复合材料强度及塑性Ⅱ.理论分析

采用断裂力学方法获得了纤维增强复合材料强度与脱粘长度、纤维临界长度以及纤维体积分数的定量关系。该公式较好地预测了纤维的临界长度以及强度与纤维体积分数的关系，并再现了复合材料混合定则。该公式也较好地解释了丝状复合材料强度随短期循环变形载荷与周次增加而增加的现象。其原因是在循环变形中，纤维与基体界面结合强度发生变化，导致纤维临界长度与脱粘长度发生变化。从而使复合材料强度增加，但这种增加是有限的和有范围的。循环变形的发展最终导致强度下降。     

陶瓷基复合材料纤维拔出有限元研究

采用粘结带模型描述复合材料界面的分离特性,利用有限元数值方法模拟了陶瓷基复合材料的纤维拔出的细观损伤和破坏过程,计算了其拔出过程的载荷-位移响应曲线,研究了界面结合强度、纤维的埋深长度以及热膨胀不匹配对纤维拔出过程的影响.结果表明该模型能很好的解释纤维拔出的破坏过程,纤维的最大拔出力和材料的承载能力都随面结合强度、纤维的埋入长度和基体的热膨胀系数增大而增大;纤维与基体热膨胀系数的不匹配对摩擦拔出力有直接影响.     

陶瓷基复合材料纤维拔出有限元研究

采用粘结带模型描述复合材料界面的分离特性，利用有限元数值方法模拟了陶瓷基复合材料的纤维拔出的细观损伤和破坏过程，计算了其拔出过程的载荷一位移响应曲线，研究了界面结合强度、纤维的埋深长度以及热膨胀不匹配对纤维拔出过程的影响。结果表明该模型能很好的解释纤维拔出的破坏过程，纤维的最大拔出力和材料的承载能力都随面结合强度、纤维的埋入长度和基体的热膨胀系数增大而增大；纤维与基体热膨胀系数的不匹配对摩擦拔出力有直接影响。     

SiC纤维增强钛基复合材料的横向力学性能

采用十字形试样测试分析有C涂层和无C涂层两种SiC纤维增强钛基复合材料的横向力学性能,以横向载荷作用下应力-应变曲线上的非线性拐点计算界面的强度.结果表明,有C涂层的界面横向开裂强度为53 MPa,低于无C涂层的界面开裂强度196 MPa,并且前者在横向载荷作用下沿C涂层与纤维之间开裂,而后者沿反应生成物与基体间开裂;体积分数为30%的多根纤维钛基复合材料的非线性拐点应力低于单根纤维复合材料,这主要是由于残余应力的减少引起,界面强度并没有明显变化.     

预热温度对三维五向Cf/Al复合材料微观组织及室温与高温力学性能的影响

以石墨纤维三维五向织物为增强体,铝合金ZL301为基体材料,采用真空辅助压力浸渗法制备了三维五向增强C_f/Al复合材料,研究了不同温度制备的复合材料微观组织特征和界面反应程度,测试了复合材料在室温和高温下的拉伸力学性能并分析了其断口形貌。结果表明：复合材料相对致密度随制备温度提高而增加,纤维局部偏聚现象也明显减少,与此同时,界面反应物Al₄C₃相随制备温度提高而显著增多,530℃到570℃复合材料室温拉伸极限强度随组织缺陷减少而增加,570℃到600℃复合材料室温极限拉伸强度随界面反应程度增大而显著降低;高温拉伸极限强度随制备温度提高而增加,适当提高界面反应程度有利于提高复合材料高温力学性能,高温拉伸中基体合金回复软化和界面结合强度弱化促进了复合材料断裂过程中的纤维拔出与界面滑移。     

原位TiB2颗粒增强铝基复合材料及其力学性能

对原位反应合成TiB2／A356铝基复合材料微观组织和力学拉伸性能进行了研究。结果表明，原位反应生成的颗粒增强相在复合材料基体中分布均匀，基体与颗粒间的界面洁净。复合材料强度随着颗粒含量的增加显著提高，与基体合金相比，TiB2质量分数为8％的TiB2／A356复合材料强度和弹性模量的提高幅度约为28％，TiB2质量分数为16％的TiB2／A356复合材料强度和弹性模量的提高幅度约为35％。复合材料的断裂主要是由于基体与颗粒界面脱粘，在拉伸应力作用下由此萌生微裂纹并扩展，导致界面处的基体撕裂，从而降低复合材料塑性。     

空心微珠增强铝基复合材料细观力学性能的数值模拟

基于代表性体积元的细观力学有限元的方法预测了空心微珠增强铝基复合材料的有效弹性模量、弹塑性应力应变和空心微珠与基体的界面性能.研究表明:影响复合材料有效弹性模量的重要参数为:空心微珠体积百分比(V4)和空心微珠壁厚与空心微珠半径的比值(t/R).同时也发现复合材料的颗粒增强金属基材料的特性随着空心微珠Vf的增加而减弱.