连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

三维角联锁机织铝基复合材料面内拉伸力学行为与失效机制

针对真空压力浸渗法制备的三维角联锁机织铝基复合材料,采用细观力学有限元模拟与试验结合的方法研究了其面内拉伸变形损伤与断裂力学行为。结果表明:复合材料拉伸应力-应变曲线的计算与试验结果吻合较好,经(纬)向拉伸初始弹性模量、极限强度和断裂应变的计算误差分别为3.96%(1.11%)、1.40%(6.86%)和?5.49%(3.73%);经向拉伸载荷作用下,经纱界面及其邻近基体合金先后发生损伤,随拉伸应变增加损伤累积和交互作用依次引发界面、基体和纬纱失效,变形后期经纱的断裂最终导致复合材料经向拉伸失效;纬向拉伸变形前期,经纱界面和经纬纱之间薄弱的基体合金相继产生损伤和失效现象,经纱在变形中期即出现横向破坏,起主要承载作用的纬纱轴向断裂是纬向拉伸的主要失效机制,由于三维角联锁机织体中纬纱体分远低于经纱,复合材料纬向拉伸模量和强度分别仅为经向的81.8%和56.5%。      

SiC晶须对SiCw/6061Al复合材料拉伸和压缩变形行为的影响

通过试验研究了SiCw/6061Al复合材料和6061Al基体的拉伸和压缩变形行为.结果表明,SiCw/6061Al复合材料和6061Al的拉伸变形行为相同,而压缩变形曲线上出现应力峰,这与不同应力状态下SiC晶须的转动有关.拉伸时SiC晶须逐渐转向与外力平行方向使SiCw/6061Al复合材料的应力增大,而压缩时SiC晶须转向与外力垂直方向使其应力减小,而不是由动态再结晶引起.     

基体局部软化对纤维/环氧树脂复合材料力学行为影响的数值分析

聚合物基体的变形局部化在复合材料破坏过程中起着重要作用。采用有限元分析方法, 借助用户材料子程序(UMAT), 描述了具有应变软化特点的高聚物弹塑性的本构关系, 研究了纤维/环氧树脂复合材料在拉伸破坏过程中基体局部变形的演化规律, 分析了基体的局部应变软化对纤维/环氧树脂复合材料应力的影响。结果表明: 纤维的应力分布及基体的塑性变形具有不均匀性; 基体局部变形降低了邻近断点的完好纤维的应力集中程度; 随着纤维间距的增加, 邻近断点的完好纤维的应力集中区域变宽, 而且应力集中程度降低。     

残余应力对复合材料横向拉伸和压缩性能的影响EI

采用显微激光分析仪对由力学性能不同的两种基体所制备的玻璃纤维复合材料进行了残余应力测定,并考察了残余应力对复合材料横向拉伸和压缩强度的影响。结果表明:1.用显微激光分析仪可方便地测定玻璃纤维复合材料的相对残余应力;2.基体韧性增加可部分松弛复合材料的残余应力;3.残余应力的存在使复合材料的横向拉伸强度降低,但对提高横向压缩强度有利。     

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

AlN颗粒在不同铝合金中的增强行为

LD2为了解AlN颗粒对不同强度等级的铝合金的增强效果及机制 ,对 40 %体积分数的AlN颗粒增强 10 70、10 6 1、LY12铝合金复合材料拉伸前后的微观组织进行了观察 ,发现拉伸前在基体中存在由热错配引起的高密度位错 ,在AlN颗粒的内部也存在大量的位错 ,拉伸后基体中的位错增殖 ,同时 ,AlN颗粒中的位错亦增多 .力学性能的测试结果表明 ,AlN颗粒对低强度、高塑性的L3纯铝增强率最高 ,中等强度、较高塑性的LD2铝合金不仅有较高的增强率 ,而且保持了一定的塑性 .AlN颗粒对基体的这种选择性主要与AlN颗粒在拉伸过程中产生微量变形 ,从而松弛部分界面应力有关 .LY12基体的塑性较低 ,易产生低应力断裂 ,因此 ,AlN颗粒的增强作用难以得到充分发挥 .     

钢球颗粒增强锌铝基复合材料界面微观应力场分析

有限元计算细观力学在复合材料应力传递机制的研究中得到了广泛应用。研究不同情况下复合材料内的应力场分布规律,对认识材料的损伤机制,指导复合材料设计,具有重要的理论与实际意义。本文主要通过有限元对锌铝基复合材料界面微观应力场进行研究,建立单向拉伸（或压缩）情况下的分析模型,计算界面处在拉应力与压应力两种情况下的基体和填充体的应力分布,分析复合材料破坏的根本原因。拉伸应力作用下复合材料经常于界面处产生脱粘,脱粘位置一般发生在极区。压缩时裂纹的产生与扩展机理同拉伸不一样,它不是主拉伸应力的作用,其裂纹的产生与扩展,可能是基体在塑性流变过程中大量的位错在增强相处受阻塞积的结果。     

2D-C_f/SiC复合材料缺口试件拉伸力学行为研究

通过对V型、半圆型和细线型双边缺口2D-Cf/SiC复合材料试件进行拉伸实验,研究了不同形状缺口对试件拉伸力学行为的影响。通过引伸计获得了拉伸过程中缺口段材料整体拉伸变形与净截面应力之间的对应关系;通过应变片获得了缺口附近局部材料的应变数值,直观体现了缺口周围的应变集中现象;依据应变变化规律,分析了双边缺口试件的损伤失效进程。通过对比标准拉伸试件,全面分析了2D-Cf/SiC复合材料双边缺口试件拉伸净强度的主要影响因素和破坏机理;最后通过有限元模拟,得到了三种缺口试件缺口段材料的应变分布情况。结果表明:拉伸过程中缺口试件缺口段材料损伤失效进程具有明显的非同步性,净拉伸强度随缺口形状不同出现不同程度下降;有限元模拟结果与实验结果吻合较好。     

AIN颗粒在不同铝合金中的增强行为

LD2为了解A1N颗粒对不同强度等级的铝合金的增强效果及机制，对40％体积分数的A1N颗粒增强1070，1061，LY12铝合金复合材料拉伸前后的微观组织者了观察，发现拉伸前在基体中存在的热错配引起的高密度位错，在A1N颗粒的内部也存在大量的位错，拉伸后基体中的位错增残，同时，A1N颗粒中的位错亦增多，力学性能的测试结果表明，A1N颗粒对低强度，高塑性的L3纯铝增强率最高，中等强度，较高塑性的LD2铝合金不仅有较高的增强度，而且保持了一定的塑性，A1N颗粒对基休的这种选择性主要与A1N颗粒在拉伸过程中产生微量变形，从而松驰部分界面应力有关，LY12基体的塑性较低，易产生低应力断裂，因此，A1N颗普的增强作用难以得到充分发挥。     

碳纳米管对Fe-P非晶的力学性能和晶化行为影响的研究

采用快速凝固技术制备了碳纳米管／铁碳非晶复合材料,并对其组织、力学性能和热稳定性进行了研究检测结果表明,碳纳米管在非晶基体中的弥散存在,使得非晶抗拉强度提高,晶化激活能增加,晶化特征温度明显提高,加入２Ｗ／％碳纳米管,使铁磷非晶的室温抗拉强度提高了１２０％,晶化激活能增加了约４０％,晶化开始温度提高了约１００Ｋ,此外,在温度高于其晶化温度约２００Ｋ时,碳纳米管和非晶基体界面间发生了固相反应。     

The temperature dependence of elastic nonlinearity in metal-matrix composites

Thermal stresses are very important in determining the strength of composites. In metal-matrix composites, these stresses are generated at the matrix-reinforcement interface as a result of the difference in thermal expansion coefficients of matrix and reinforcement during solidification. In order to evaluate these stresses, we studied the effect of temperature on the second- and third-order elastic constants in two metalmatrix composites consisting of the aluminum alloys 8091 and 7064 and silicon carbide particles up to 20% volume fraction. The elastic constants were determined at the temperatures 0, 25 and 55°C using measurements of absolute as well as changes of ultrasonic velocities as a function of applied stress. The values of these constants are used to calculate the acoustic nonlinearity parameters. In both composites, the acoustic nonlinearity parameters increase with the amount of reinforcement, which is opposite to that previously observed in aluminum alloys containing second-phase precipitates. Also, the temperature behavior of the nonlinearity parameters in the composites are opposite to those in the aluminum matrices. These differences in behavior are interpreted as due to the presence of thermal stresses at the matrix-reinforcement interface, and give promise to the possibility of using these parameters in the nondestructive evaluation of these stresses in metal-matrix composites.     

The Temperature Dependence of Elastic Nonlinearity in Metal-Matrix Composites

Abstract

Thermal stresses are very important in determining the strength of composites. In metal-matrix composites, these stresses are generated at the matrix-reinforcement interface as a result of the difference in thermal expansion coefficients of matrix and reinforcement during solidification. In order to evaluate these stresses, we studied the effect of temperature on the second- and third-order elastic constants in two metal-matrix composites consisting of the aluminum alloys 8091 and 7064 and silicon carbide particles up to 20% volume fraction. The elastic constants were determined at the temperatures 0, 25 and 55°C using measurements of absolute as well as changes of ultrasonic velocities as a function of applied stress. The values of these constants are used to calculate the acoustic nonlinearity parameters. In both composites, the acoustic nonlinearity parameters increase with the amount of reinforcement, which is opposite to that previously observed in aluminum alloys containing second-phase precipitates. Also, the temperature behavior of the nonlinearity parameters in the composites are opposite to those in the aluminum matrices. These differences in behavior are interpreted as due to the presence of thermal stresses at the matrix-reinforcement interface, and give promise to the possibility of using these parameters in the nondestructive evaluation of these stresses in metal-matrix composites.     

不同界面SiC纤维束复合材料的拉伸力学行为

利用国产三代SiC纤维通过化学气相渗透工艺(CVI)制备不同界面厚度和基体体积分数的SiC纤维束复合材料,并对其拉伸力学行为进行研究;同时,通过有限元方法研究界面厚度和基体体积分数对SiC纤维束复合材料热残余应力的影响。有限元分析结果表明:该纤维束复合材料的界面存在较为明显的径向和环向热残余应力,而且这两种应力均随着界面厚度增加而减小,随着基体体积分数的增加而增加。拉伸实验结果表明:随着界面厚度增加SiC纤维束复合材料的拉伸强度有增大趋势,且纤维拔出长度也相应增加;但在界面厚度相同的情况下,过高的基体体积分数将导致复合材料拉伸强度和韧性下降。     

基体合金对石墨/铝复合材料性能的影响

本文研究了不同基体合金(工业纯铝和LY12)对石墨/铝复合材料性能的影响,并初步探讨了其影响机理。结果表明:基体合金严重影响金属基复合材料的界面状态、基体相组织及分布,从而影响到最终复合材料的性能。与纯铝相比,LY12基体使石墨/铝复材料性能大幅度下降。     

复合材料横向压缩性能的研究

本文考察了由两种力学性能不同的基体制备的玻璃纤维、碳纤维和碳/玻混杂纤维复合材料的横向压缩性能及破坏特征,导出了估算复合材料横向压缩强度半经验公式,其估算值与实测值比较吻合。      

Preparation and characterization of aluminium alloy sheet Aramid fibre-laminated composites

Laminated composites consisting of alternate layers of aluminium alloy sheets and unidirectional Kevlar-49 fibre epoxy composites were prepared using two different aluminium alloys DTD 687 and aluminium-lithium alloy. Tensile, compressive and interlaminar shear strengths of the laminates were measured. The residual stresses in the aluminium alloy sheets arising out of thermal mismatch between aluminium alloys and aramid fibres were also measured. It is found that the laminates have lower density, higher tensile strength and marginally lower Young’s modulus as compared with monolithic alloy sheets.     

A mechanistic analysis of the correlation between overall strength and indentation hardness in discontinuously reinforced aluminum

It is well established that the indentation hardness of metallic alloys shows a reasonable correlation with their yield strength or ultimate strength. Experiments illustrate that such a unique correlation is nonexistent for discontinuously reinforced metal matrix composites, even when the indentation size is much greater than the reinforcement size. For aluminum alloys reinforced with silicon carbide particles, the same composite yield strength and tensile strength with different reinforcement fractions do not lead to similar hardness, or vice versa. Finite element analyses are carried out to rationalize the experimental findings. The modeling utilizes a two-dimensional plane-strain formulation. Discrete particles are included in the material model, and the overall stress-strain response and the indentation response are numerically simulated. The results confirm the lack of unique correspondence between the composite hardness and strength. The alteration of local heterogeneity in the composite is found to affect the indentation response. Effects of the geometrical arrangement of particles and thermal residual stresses on the indentation response are also investigated numerically.     

ZA22/Al2O3短纤维复合材料高温拉伸行为的理论分析

采用日本产A G-10TA 型电子万能试验机对挤压铸造ZA 22/Al₂O₃短纤维复合材料的高温抗拉强度进行了测定, 并用Friend 修正的混合律模型对该试验结果进行了理论分析, 结果表明ZA 22/Al₂O₃短纤维复合材料及其基体的强度均随温度升高而下降, 但ZA 22合金基体的强度下降幅度更大。任一纤维体积分数的复合材料, 均存在一临界转变温度T crit; 超过该温度, 复合材料强度大于基体强度。纤维体积分数越大, 所需临界转变温度越低。在本试验中, V f 为15% 和20% 的复合材料的Tcrit分别为123℃和87℃。任一温度下, 复合材料均存在一临界纤维体积分数, 超过该纤维体积分数, 复合材料强度高于基体强度。温度越高, 临界纤维体积分数越低。对ZA 22/Al₂O₃短纤维复合材料来说, Friend 模型中的经验参数C3 的取值随温度升高而降低。