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第 27 卷 第 4 期武汉化工学院学报Vol.27No.42005 年 07月J.WuhanInst.Chem.T ech.Jul.2005文章编号:10044736(2005)04001904颗粒簇增强金属基复合材料的细观力学行为叶亚琴1,熊黎明2(1.中国地质大学信息工程学院,湖北 武汉 430074;2.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北 武汉 430074)摘要:基于 SiC/Al 基复合材料中的 SiC 颗粒簇周期性排布假设,通过三维有限元体胞方法,探讨了不同堆积形式下的颗粒簇微结构对基体材料中热残余径向应力的分布,所得结果对于深入理解金属基复合材料的损伤过程有参考价值.关键词:三维体胞;有限元热残余应力;颗粒簇;径向应力中图分类号:O334文献标识码:A收稿日期:20040920作者简介:叶亚琴(1979),女,湖北荆州人,助教,硕士研究生.研究方向:空间数据库,计算机仿真与数值模拟.0引言短纤维或颗粒增强金属基复合材料的损伤、断裂过程一般可分为孔洞形核、孔洞长大和孔洞聚合三个阶段,人们对孔洞长大和孔洞聚合过程已有较深入的了解,但对于孔洞的形核过程缺乏深入认识,特别是对颗粒簇的微结构及其微排布特征对孔洞形核的影响的理解还相当欠缺 1.在金属基复合材料中,增强相的簇效应对材料表观力学性能的影响已引起研究者们的广泛关注.实验观察到孔洞容易在颗粒不均匀的局部区域的夹杂/基体界面上形核,并且颗粒的间距越小,越容易导致裂纹萌生 2.据此,Ferry M 等人 3推测,颗粒簇所在区域的夹杂/基体界面强度低于无簇效应区域的界面强度,从而导致界面易于形核.理论研究方面,Shi 等结合 Eshelby 和有限元方法提出分两步研究 MMC 中的簇效应 4;数值研究方面,文献 5 建立了裂纹前缘存在颗粒簇的有限元模型,研究了簇效应对短裂纹生长的影响,认为簇内颗粒排布的不同会导致复合材料中载荷传递的变化,从而改变裂纹的扩展路径和速率.在金属基复合材料的制备过程中,由于材料中各相热膨胀系数的差异,不可避免地会产生热残余应力 6,热残余应力一方面会在制备过程中直接诱发孔洞形核,一方面又可达到增韧效果,对材料力学行为影响复杂.本文考虑了材料中基体及增强相的各种参数随温度变化,并对面心、体心堆积方式的三维颗粒簇影响下的热残余应力场进行了分析.1三维体胞模型实际材料中,增强相颗粒呈随机分布,进行有限元分析时,根据周期性假设可以建立多种不同排布形式的有限元分析模型.面心立方、体心立方这两种点阵均属于立方晶系,立方晶系中因对称等同关系,存在三个晶向族,下文将对三维体胞中若干不同晶向上的径向应力分布进行分析.本文对简单立方、体心立方的堆积方式建立了相应的计算模型,以面心立方体胞为例,根据对称性,可以取立方体胞的八分之一进行分析,示意图如图 1.图 1简单立方(a)(b)、面心堆积(c)方式下的单位立方体胞Fig.1Unit cell of cubic(a),(b)and fcc(c)2边界条件及材料模型瞬态热分析过程中,分析 50020 降温过程导致的温度场时,给定体胞外表面上与外界的热对流系数为 500 W/(m2),即 x1=l;x2=l;x3=l 时,均有?=500 W/(m2);温度场分析结束,将得到的结果以状态变量的形式施加到模型中,以 500 为初始条件进行残余应力场的分析,为了模拟体胞周围材料的约束及夹杂间的相互作用,同时根据对称性,边界条件可表示为:当 x1=0,x2=0,x3=0 时,u1=0,u2=0,u3=0;当 x1=l,x2=l,x3=l 时,u1=U1,u2=U2,u3=U3;式中,ui是位移分量,Ui为体胞 i 向瞬时位移(i=1,2,3).材料模型考虑了夹杂和基体材料的热力学参量随温度的变化(表 1);温变结束后,在室温(20)下进行单轴加载分析时,SiC 颗粒视为线弹性材料,Al 基为硬化指数 n=0.1 的幂硬化材料,并服从屈服准则.表 1SiC颗粒和Al的热力学参量Table 1Material properties of SiC and Al材料比热容/J(kgK)-1热传导率/W(m)-1杨氏模量/GPa泊松比热胀系数/屈服应力/MPa20 SiC8401 9747000.214.3110-6Al880213.5720.3102.310-5280500 SiC1 1763 3604500.156.2010-6Al1 080226500.2752.710-52003计算结果与分析首先对给定热边界条件下的三维体胞模型进行了瞬态的温度场分析,以简单立方情况下的?=0.4,l=1 的三维体胞模型为例.图2 给出了瞬时的温度场分布.可见,在所给热对流边界条件下,体胞模型在冷却的过程中,材料由外到内温度逐步下降,这种瞬态过程的模拟真实反映了实际材料制备过程中冷却过程的温度场演化形态.图 2三维体胞瞬时温度场示意图Fig.2Temperature field of3D unit cell3.1轴对称体胞方法与三维体胞方法的比较如前所述,关于热应力的分析,簇效应的理论研究中,大部分研究者采用轴对称有限元模型,但这种模型限制了对增强颗粒的几何形状和分布取向的研究.其局限性在于:a.只能研究规则的球形增强颗粒或椭球形颗粒;b.所能研究的边界条件相对简单;c.研究簇效应时,只能模拟颗粒团聚区域的简单的排布形式.图 3 为单位立方体胞与轴对称体胞中的单个半径的球形增强相颗粒对比图.图中R=a/l,a 为颗粒半径,l 为体胞边长.从图 3 中可见:颗粒内部轴对称体胞的计算结果比三维体胞高出近 50MPa,并且,从?r的分布趋势上可以看出,轴对称的计算所得热残余应力场的存在区域更大.因此,轴对称体胞方法放大了复合材料中利用热残余应力增韧的效果.图 3轴对称体胞与三维体胞方法中颗粒内部的径向应力分布Fig.3Radial stress distribution in the particles of ax-is-symmetry and 3D unit cell3.2面心立方排布三维体胞不同滑移系上的径向应力分布面 心立 方 堆 积方 式 下,图 4(a)给 出 了a=0.10,0.25,0.40 三种不同大小的颗粒团聚形成的单位立方体胞计算结果.从孔洞形核角度分析,在材料服役过程中,a=0.10 时粒子内部的径向压应力最大,在该方向上发生粒子断裂而诱使孔洞形核要克服更大残余压应力,而随着颗粒尺寸的增大,粒子内部径向压应力降低,服役过程中在该方向上将更容易被拉断,这种现象与大量的实验结果较为吻合;从热20武汉化工学院学报第 27 卷残余应力增韧角度分析,随着团聚区域颗粒尺寸的增大,团聚区域的基质中会出现拉应力,增韧效果下降;但是如果颗粒尺寸很小,基体中径向的热残余压应力场的分布区域将限制在颗粒周围很小范围内,难以达到增韧的效果.所以,簇效应导致了复合材料内部复杂的细观应力应变场,簇内颗粒的尺寸一定程度上影响了材料的宏细观力学行为.不同于 100 方向,颗粒面心堆积的单位体胞中,110 方向颗粒间距为2/2,颗粒之距离相对更近,增强颗粒周围的应力场将互相干涉影响.图 4(b)给出了面心堆积方式不同大小颗粒构成的颗粒簇中 110 晶向上的径向应力分布.从孔洞形核的角度来分析,在 110 方向上,两颗粒之间的基体内部只存在残余径向压引力,所以在该方向上的基质内部发生孔洞形核的可能性不大,而 100 方向,大颗粒尺寸下基质中出现了拉应力,可能出现孔洞缺陷;考察残余应力增韧效果,由图 4 可见,a=0.10,0.25,0.40 三种情况下,均出现了颗粒内部径向的残余压应力还未到达界面处就开始下降的情况,已知在不考虑簇效应的情况下,对于球形颗粒,各个方向上的径向压应力应该是等同的,图 4 中 100 向与 110 向不同的应力分布状态表明簇效应导致了增韧效果的各向异性.图 4面心堆积方式不同大小颗粒构成的颗粒簇中100、110 晶向上的径向应力分布Fig.4 Radial stress distribution along 100and110 in fcc unit cell3.3面心立方、体心排布三维体胞不同滑移系上的径向应力对比不同于面心堆积方式,体心堆积方式下的单位立方体胞的每个顶点和体心存在颗粒,为比较方便,仍以球形增强相为研究对象(见图 5).由图5 可见,同样是?=0.4 的增强相颗粒,对于 100方向,体心堆积方式下的颗粒簇中,颗粒以及周围基质内部的径向压应力略低于不考虑簇效应的单个颗粒增强的体胞,不同于面心堆积方式下的体胞计算结果,沿颗粒径向的基质中并未出现拉应力,造成这种现象的原因在于同样大小的颗粒以体心方式堆积时,复合材料内部的增强相致密度低于颗粒以面心排布的情况.图 5体心堆积方式、面心堆积方式体胞中100 方向径向应力分布的对比Fig.5Comparison of radial stress distribution along 100in bcc and fcc unit cell4结语a.轴对称体胞方法研究颗粒增强金属基复合材料的细观力学行为时,其模型在颗粒的形状、体积分数、颗粒簇内颗粒的排布形式等方面存在一定的局限性;b.计算结果表明,颗粒的大小一定的情况下,制备过程中应使颗粒更均匀的分布在基质中,利于提高残余应力增韧效果.参考文献:1Cline T W,Withers P J.An introduction to metalmatrix composites M.Cambridge:Cambridge U-niversity Press,1996.2 Davidson D.Nucleation of roid on the interface inthe metal matrixcompositesJ.MetallurgicalTransactions,1991,22A:113117 3 Ferry M,Munroe P R,Crosky A.Investigation ofthe interface strength considering clustering effect J.Script Metallurgical et Materialia,1993,28:12351238.21第 4 期叶亚琴:颗粒簇增强金属基复合材料的细观力学行为 4Shi N,Wilner B,Arsenault R J.Numeric method ofclustering effect in metal matrix composites J.Acta Metallurgica et Materialia,1992,40:28412847.5 Boselli J,Pitcher P D,Gregson P J,et al.Numeri-cal modeling of particle distribution effects on fa-tigue in AlSiCpcomposites J.M aterials Scienceand Engineering,2001,8:113124.6 Daymond M R,Withers P J.Examination of ten-sile/compressive loading asymmetries in aluminiumbased metal matrix composites using finite elementmethodJ.Mater Sci T ech,1995,11:228235.7匡震邦,顾海澄,李中华.材料力学行为 M.北京:高等教育出版社,1998.A numerical investigation of the effect of particle clustering and thermalresidual strain on the micromechanical properties of metal matrix compositesYE Yaqin1,XIONG Liming2(1.Institute of Information Engineering,China University of Geosciences,Wuhan430074,China;(2.School of Civil Engineering and Mechanics,Huazhong University of Science and T echnology,Wuhan 430074,China)Abstract:In the particle reinforced metal matrix composites,voidnucleation is usually derived fromthe facture of the second phrase or debonding of the particlesmatrix interface,which is unavoidablyinfluenced by the particle clustering and the thermal residual stress generating during the heat treat-ment.Based on the assumption of a periodic array SiC particle clusters in the SIC/Al,the influence ofthermal residual stress field and various different configurations of particle cluster on the stress con-centration factor is researched in this paper using 3D unit cell approach.The results are guiding signif-icance to understand the mechanism of voidnucleation in the metal matrix composites reinforced bythe particle clusters.Key words:3D unit cell;thermal residual stress;particle clusters;radial stress本文编辑:萧宁(上接第 15页)Transportation and fate of pesticide in surface water environmentTANG Yaf ei1,2,WANG Yanxing2,CAI Hesen2(1.School of Environmental and Civil Engineering,Wuhan Chemical Engineering Institute,Wuhan430074,China;2.School of Environmental Studies,China U niversity of Geosciences,Wuhan 430074,China)Abstract:Geochemical behavior and fate of pesticides at the middlelower reaches of Hanjiang Rivercatchment are calculated by using EQC model in this paper.7 pesticides,which are of high toxicityand widely and largely used,are chosen as target pollutants.Results show that most of the pesticidesexist in soil and water environment.According to the water environment quality standard and themodeling results,the safe dosages(kg/ha)were proposed as follows:2.3,10.7,5.7,9.0,1.8,1.8 and 11.4 respectively for parathionmethyl,parathion,dimethoate,dichlorvos,methamidophos,alachlor and butachlor.Key words:Hanjiang River catchment;pesticide;EQC model;transportation;fate本文编辑:萧宁22武汉化工学院学报第 27 卷
