金属基复合材料的损伤和失效ppt课件

1、LOGO金属基复合资料的损伤与失效金材普金材普08-01 08-01 王著光王著光 由NordriDesign提供nordridesign第第8章章LOGO金属基复合资料的损伤与失效金属基复合资料的损伤及失效机制通常包括三种方式:1加强相的断裂2加强相和基体之间界面的脱开3基体内孔洞的成核、长大与集合导致的基体塑性失效LOGO1损伤实际损伤实际1.1资料的制造要素资料的制造要素为了制成适用的金属基复合资料构件，需对金属为了制成适用的金属基复合资料构件，需对金属基复合资料进展二次成型加工和切削加工。由于基复合资料进展二次成型加工和切削加工。由于加强物的参与给金属基复合资料的二次加工带来加强物的参

2、与给金属基复合资料的二次加工带来很大的困难，如陶瓷纤维、晶须、颗粒加强金属很大的困难，如陶瓷纤维、晶须、颗粒加强金属基复合资料，加强物硬度高、耐磨，使这种复合基复合资料，加强物硬度高、耐磨，使这种复合资料的切削加工非常困难。所以容易出现资料的资料的切削加工非常困难。所以容易出现资料的损伤和失效损伤和失效由NordriDesign提供nordridesign第第8章章LOGOnordridesign由于制造而产生的损伤和失效缘由大致有以下几个方面：1MMCs界面润湿性MMCs的界面问题不断是身手域研讨的艰苦技术问题。MMCs的界面有3种类型：加强体与基体互不反响亦互不溶解；加强体与基体不反响但能

3、相互溶解；加强体与基体相互反响生成界面反响物。结合的好坏直接关系到加强相和基体之间界面的衔接。加强颗粒进入基体金属熔体，并能很好的分散，首要条件是两者必需相互润湿。第第8章章LOGOnordridesign以铝合金为例，常用的加强颗粒Al2O3、SiC与Al的润湿性都比较差，他们的接触角大于90o。而有些加强颗粒外表存在氧化物，由于其吸附气体水分等，使得加强颗粒与金属基体的润湿性变得更差。2界面反响程度界面过度反响生成脆性相在受力时起到萌生裂纹源的作用。界面结合力是表征界面结合形状的重要参数，由于界面有双重作用：一方面起到传送应力的作用，使加强体承当主要载荷；另一方面又以界面托粘和加强体的拨出

4、使裂纹偏移和吸收能量。第第8章章LOGOnordridesign虽然实验证明有最正确结合形状，但是复合资料的制造往往没能到达这种理想形状，所以导致损伤和实效。3) 加强资料能否均匀分布基体MMCs的凝固过程由于加强体的存在，使其温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。加强资料的种类较多，在尺寸、形状、理化性能上也有很大的差别，使其均匀地、或按设计强度的需求分布比较困难。第第8章章LOGO 1.2加强相要素 加强相在复合资料中起加强作用。纤维加强是复合资料中最主要的复合方式。复合资料的性能主要取决于纤维的性质、数量及形状。纤维使复合资料具有高的抗拉强度、高弹性模量和高冲击韧性等

5、性能。如碳纤维：碳纤维为有黑色光泽的柔韧细丝，普通单根纤维直径5-10，碳纤维的性能与石墨微晶尺寸、取向和空洞缺陷亲密相关。假设微晶尺寸大、结晶取向度高、缺陷少，那么强度、弹性模量和导热导电性都显著提高。但在高温下与金属有着不同程度的界面反响，导致碳纤维损伤，故碳纤维用于金属基复合资料时，必需采用外表涂层处置加以改善。 第第8章章LOGO金属基复合资料的损伤与失效1.3基体内孔洞成核、长大与集合而导致的基体失效 在金属基复合资料中，加强体和基体的相互协调成了影响其超塑性的重要要素。在合金中，两相晶界间滑动被普遍以为是超塑性变形的主要机制。在金属基复合资料中，晶粒也要长大，而其长大的过程又遭到加

6、强体的限制，这就使大量位错在加强体附近堆积下来呵斥了应力集中，使孔洞得以构成和长大。因此，复合资料中影响超塑性的重要目的并不是晶粒度，加强体为孔洞的形核与长大所发明的条件那么成了关键。超塑性资料普通都是空洞敏感资料，成型过程中空洞的演化会大大降低资料的成型性能及成形后零件的运用性能，因此超塑性资料成形过程中空洞损伤演化的规律具有实际价值和实践意义。但对于超塑性成形这类高温、模腔封锁、变性机制复杂的金属成形问题，常规方法测试分析困难，本钱高、准确性差，效果难如人意。而基于现代有限元方法的数值模拟技术那么为此类问题的处理提供了有效地手段。第第8章章LOGO金属基复合资料的强度与损伤分析金属基复合资

7、料的强度与损伤分析1.4MMCs损伤分析用细观计算力学的方法分析了金属基复合资料(MMCs) 多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维/ 基体界面的脱粘和采用G2T 模型描画韧性基体的损伤. 并用上述模型分析了长纤维加强MMCs在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与资料强度及损伤、破坏方式之间的关系。LOGO MMCs具有高比刚度、高比强度等优良性能,但同时表现出比单一资料更复杂的力学行为,加强相附近会产生应力集中并引发资料损伤,如加强相断裂、界面脱粘和基体损伤等. 在复合资料的分析中,界面分析是个关键.MMCs的界面往往很薄,远小于其加强相纤维或颗粒直径的尺寸。将界面

8、处置为一组法向和切向的弹簧，用各向同性的无厚单元模拟了界面层，提出了界面的内聚力模型，对内聚力模型进展了总结和改良，第第8章章LOGO金属基复合资料的强度与损伤分析金属基复合资料的强度与损伤分析推导了基于内聚力本构的界面单元并用此单元模拟了MMCs界面的损伤演化.MMCs的基体是延性的金属或合金，破坏前往往要阅历较大的塑性变形，从细观层次上看，损伤能够涉及两级孔洞的演化：大孔洞由加强相的脱粘产生，大孔洞或加强相之间基体中的变形部分化带分布有小一级的孔洞，小一级孔洞形核、长大,最后聚合为延性裂纹,其演化由Gurson2Tvergaard 模型描画。LOGO用损伤模型分析了延续纤维加强的MMCs在

9、横向荷载作用下其强度与损伤之间的关系,着重讨论了不同的界面性质对损伤演化及对资料拉伸强度的影响. 横向荷载条件下,纤维断裂不是主要的损伤方式, 只思索界面和基体损伤的影响.2损伤实验模型2. 1 界面损伤模型内聚力模型原来描画的是原子或分子之间的相互作用关系,这里的内聚力模型是一种宏观上的唯象模型,适当地选择参数,可以模拟复合资料界面的本构。第第8章章LOGO金属基复合资料的损伤与失效内聚力模型讨论的是界面上下外表的粘结力与相对位移之间的关系LOGO金属基复合资料的损伤与失效这里Tn 和Tt 分别是界面法向和切向的粘结力,n 和t 是相应的法向和切向的相对位移, H 是单位跃阶函数, K 是界

10、面受压时的模量,由于界面很薄,紧缩量很小,故K 可以取一大数. 内聚力模型引入了两组参数:n 、t 分别表示界面受单纯拉、剪时的强度;n 、t 为界面受单纯拉、剪时能维系界面的最大相对位移。LOGOmaxn 、maxt 为界面阅历过的最大相对位移,可视为界面的损伤参数:= 0 表示界面完好;1 表示界面完全脱粘. 当界面完全脱粘后,只需接触效应,此时(2) 式可以改写为第第8章章LOGO金属基复合资料的损伤与失效2.2 基体损伤模型Gurson2Tvergaard 资料本构的屈服函数为LOGO金属基复合资料的损伤与失效这里ij是宏观应力分量,eq是宏观等效应力,M 是基体资料的实践屈服应力,

11、f 和f3分别是实践和等效孔洞体分数, f C 和f F 对应于资料损伤开场加速及彻底破坏时所对应的孔洞体积分数, qi 是引入的用以反映孔洞相互作用效应的可调参数,微孔洞的增长率包括已有孔洞的长大和新孔洞的形核两个部分，即LOGO金属基复合资料的损伤与失效这里 pkk是宏观体积塑性应变部分, pM是细观等效塑性应变,可经过宏、细观塑性功率相等的条件求得式(7) 的第一部分可以经过塑性体积不可紧缩条件得到,对于应变控制形核的情况,式(7) 的第二部分可表为如下方式LOGO金属基复合资料的损伤与失效其中fN 是可以形核粒子的体分数,N 是形核时所对应的应变, SN 为形核应变的规范差, h为硬化

12、函数. 基体设为幂硬化资料N 为硬化指数, EM 为杨氏模量,0 为初始屈服应力。LOGO2.3脆性资料的失效准那么脆性资料的破坏准那么采取最大主应力准那么方式。假设R1、R2和R3 分别用来表示三个主应力, 那么破坏准那么为这里R0 是脆性资料的单向拉伸强度。第第8章章LOGO金属基复合资料的损伤与失效3损伤结论损伤结论3. 1 构造构造界面脱开是一个迅速过程界面脱开是一个迅速过程, 会导致金属基复合资料会导致金属基复合资料强化才干的显著降低。加强相端头处界面的脱开强化才干的显著降低。加强相端头处界面的脱开会使附近基体中发生应力松驰会使附近基体中发生应力松驰, 从而减弱了此处从而减弱了此处基

13、体中孔洞的成核与长大速度基体中孔洞的成核与长大速度, 而加强相侧壁处而加强相侧壁处界面的脱开那么促进了加强相侧壁间基体内孔洞界面的脱开那么促进了加强相侧壁间基体内孔洞的成核与开展。这是由于此处界面的脱开妨碍了的成核与开展。这是由于此处界面的脱开妨碍了荷载的剪切滞后传送才干荷载的剪切滞后传送才干, 从而导致这个区域内从而导致这个区域内基体承当了过多的荷载。界面的脱开速度接近于基体承当了过多的荷载。界面的脱开速度接近于基体内孔洞的成核与长大的扩展速度。基体内孔基体内孔洞的成核与长大的扩展速度。基体内孔洞的开展和分布是比较均匀的洞的开展和分布是比较均匀的, 在发生失效前普在发生失效前普通也是很稳定的。通也是很稳定的。LOGO可以说, 损伤是由整个金属基体来承当。因此复合资料获得了非常好的塑性变形才干。但是却导致了复合资料强化才干的过