含非椭球颗粒复合材料的有效性能预报分析

非椭球颗粒Eshelby张量不为常数,没有解析解,理论计算中通常将非椭球颗粒简化为椭球形进行分析。实际材料中颗粒并非都为规则的椭球形,因此这种简化的合理性是有待讨论的。通过数值方法计算了几种特殊的非椭球颗粒的Eshelby张量和平均Eshelby张量,与有限元结果对比验证了数值结果的准确性。在此基础上,根据相互作用直推估计法分析了非椭球颗粒形状对有效性能的影响,并分析了用椭球颗粒代替异形颗粒的可行性。结果显示,数值方法计算的Eshelby精度较高,将对称性较高的非椭球颗粒等效为椭球颗粒是可行的,而片状颗粒对材料刚度影响更大,将其简化为近似的扁平椭球进行计算时将带来更大的误差。     

稀疏颗粒增强镍基复合材料的应力场及损伤分析

陶瓷颗粒增强镍基合金复合材料是一种性能优良的复合材料,它能够将增强相和基体的性能相结合。应用细观力学和有限元理论将复合材料简化为含两个陶瓷颗粒的单胞,对材料单向拉伸下的应力场进行模拟,分析其应力的分布情况和复合材料的性能特征。结果表明,单胞中的应力是不均匀的,高刚度颗粒的界面附近应力最大并将首先破坏。最后利用单元消去技术模拟材料开裂情况下的应力场变化及裂纹扩展路径。研究对于理论分析和实验具有一定的参考和指导作用。     

真空熔烧涂层与母材的界面研究

采用法向拉伸法测定了真空熔烧涂层与母材的界面结合强度 ,并用电子探针分析了合金元素沿层深分布情况。结果表明 ,真空熔烧法制得的涂层与母材间形成了牢固的冶金结合 ,界面结合强度可达 3 60～40 0MPa ,提高了材料的抗热疲劳性能。合金元素在界面两侧的扩散是影响材料显微组织、显微硬度及界面结合强度的关键     

颗粒增强复合材料有效弹性模量的预报

用细观力学的方法对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行研究,把材料简化为三相模型,陶瓷粒子和基体壳简化为椭球形二相胞元,用Mori-Tanaka法建立二相胞元的刚度预报模型.结果表明,二相胞元为横观各向同性,具有5个独立的弹性常数.据二相胞元方位的随机性,由应力应变换轴公式和物理方程确定复合材料的平均应变,进而得到复合材料的等效弹性模量和等效泊松比以及等效刚度模量的理论计算公式,并通过对所建模型的分析,确定各参量与陶瓷颗粒含量之间的关系.     

纳米共晶晶须复相陶瓷的刚度预报

用SHS技术制备的纳米共晶晶须复相陶瓷具有较大的断裂韧性和较高的塑性形变行为,其组织结构以纳米共晶晶须为基体.运用Mori-Tanaka方法研究了复合共晶晶须的等效本征应变,并得到了复合共晶晶须的应力应变关系.通过应力应变关系计算出复合共晶晶须的刚度,复合共晶晶须为横观各向同性,具有5个独立的弹性常数.根据复相陶瓷的应变均值,考虑复合共晶晶须方位的随机性,计算出材料的有效弹性模量和泊松比,复相陶瓷材料为各向同性体.     

孔隙对陶瓷基复合材料强度影响的研究进展

陶瓷基复合材料具有较强的结构特性,是一种多相体材料.其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能,同时也取决于细观结构特征.对于复合材料的强化,通常是通过掺入夹杂物以提升其界面强度.但是由于夹杂掺入的不均匀性,以及制备工艺无法排净的空气和其他杂质,使得基体尤其是界面附近的基体,不可避免的存在孔隙,这些孔隙在受到外部载荷时产生裂纹继而扩展,造成材料失效.因此通过研究材料在遭受外部载荷冲击时,其在细观层面的损伤演化与宏观失效表现的关系,从细观层面分析材料损伤演化的规律和断裂机理,不仅可以为复合材料的制备提供理论上的指导,而且还可以通过对材料细观结构的进一步优化达到设计材料的目的.本文介绍了陶瓷基复合材料在制备过程中产生的缺陷、缺陷致使材料发生损伤失效以及缺陷对复合材料有效强度影响的研究现状,在总结复合材料相关研究成果及不足的基础上,结合仿真建模分析手段对下一步复合材料有效强度问题研究进行了展望.     

含纳米纤维共晶基陶瓷复合材料的局部应力场

通过考虑纳米纤维与共晶界面的相互作用,利用四相模型推导出共晶基陶瓷复合材料中三相胞元内的应力分布规律;根据体积平均应变,得到共晶基陶瓷复合材料的有效柔度增量;由复合材料远场应力边界条件获得棒状共晶体内基体、界面和纳米纤维内的局部应力场.结果表明:棒状共晶体内的局部应力场与共晶体内各组分的刚度和体积含量以及夹杂和界面相的形状有关.由于共晶界面的强约束效应,基体分担的应力数值明显减小,所以共晶界面使共晶基陶瓷复合材料得到了强化.     

含界面微裂纹颗粒增强复合材料的有限元分析

界面弧形微裂纹是复合材料在制备和加工过程中产生的一种细观损伤,这种现象普遍存在,不可避免。根据细观力学方法,将陶瓷颗粒、弧形裂纹和基体壳简化为椭球三相胞元置于有效介质氛围中;假设复合材料受单轴拉伸应力作用,基于有效自洽方法对复合材料基体中局部应力应变场进行分析;并应用ANSYS有限元软件对含界面微裂纹复合材料进行单轴拉伸行为模拟,得到与实际情况相符的数值结果。     

孔隙分布不均匀性对陶瓷材料强度的影响

由于工艺特殊性,一些陶瓷材料中不可避免地存在孔隙、夹杂等缺陷,且孔隙、夹杂大多分布不均匀,而这种不均匀性对陶瓷材料力学性能有较大影响.根据分布不均匀性特点,以陶瓷材料中孔隙分布为例,定义了均匀度对孔隙分布的不均匀性进行量化,提出了利用图像处理确定均匀度的方法.根据图像处理结果,将材料分为富含孔隙的等效基体相和不含孔隙的等效颗粒相,利用相互作用直推估计(IDD)法研究了材料强度随均匀度的变化关系.结果表明:孔隙分布均匀度对材料强度有较大影响,孔隙分布的均匀度越小,材料强度越低,并且在均匀度低于0.2时造成强度的剧烈降低,当均匀度大于0.5时,对材料强度的影响很小.