金属基复合材料的损伤和失效.ppt

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1、金属基复合材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提供第第8章章LOGO金属基复合材料的损伤与失效金属基复合材料的损伤及失效机制通常包括三种形式:（1）增强相的断裂（2）增强相和基体之间界面的脱开（3）基体内孔洞的成核、长大与汇合导致的基体塑性失效LOGO1损伤理论损伤理论1.1材料的制作因素为了制成实用的金属基复合材料构件，需对金属基复合材料进行二次成型加工和切削加工。由于增强物的加入给金属基复合材料的二次加工带来很大的困难，如陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料，增强物硬度高、耐磨，使这种复合材料的切削加工十分困难。所以容易出现材料的损

2、伤和失效由NordriDesign提供第第8章章由于制造而产生的损伤和失效原因大致有以下几个方面：1）MMCs界面润湿性MMCs的界面问题一直是本领域研究的重大技术问题。MMCs的界面有3种类型：增强体与基体互不反应亦互不溶解；增强体与基体不反应但能互相溶解；增强体与基体互相反应生成界面反应物。结合的好坏直接关系到增强相和基体之间界面的连接。增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好的分散，首要条件是两者必须相互润湿。第第8章章LOGO以铝合金为例，常用的增强颗粒Al2O3、SiC与Al的润湿性都比较差，他们的接触角大于90o。而有些增强颗粒表面存在氧化物，由于其吸附气体水分等，使得增强颗粒与金属基体

3、的润湿性变得更差。2）界面反应程度界面过度反应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状态的重要参数，因为界面有双重作用：一方面起到传递应力的作用，使增强体承担主要载荷；另一方面又以界面托粘和增强体的拨出使裂纹偏移和吸收能量。第第8章章LOGO虽然实验证明有最佳结合状态，但是复合材料的制作往往没能达到这种理想状态，所以导致损伤和实效。3)增强材料是否均匀分布基体MMCs的凝固过程由于增强体的存在，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。增强材料的种类较多，在尺寸、形态、理化性能上也有很大的差异，使其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。第第8章章

4、LOGO 1.2增强相因素 增强相在复合材料中起增强作用。纤维增强是复合材料中最主要的复合形式。复合材料的性能主要取决于纤维的性质、数量及状态。纤维使复合材料具有高的抗拉强度、高弹性模量和高冲击韧性等性能。如碳纤维：碳纤维为有黑色光泽的柔韧细丝，一般单根纤维直径5-10，碳纤维的性能与石墨微晶尺寸、取向和空洞缺陷密切相关。若微晶尺寸大、结晶取向度高、缺陷少，则强度、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应，导致碳纤维损伤，故碳纤维用于金属基复合材料时，必须采用表面涂层处理加以改善。第第8章章LOGO金属基复合材料的损伤与失效1.3基体内孔洞成核、长大与汇合而导致的

5、基体失效基体内孔洞成核、长大与汇合而导致的基体失效 在金属基复合材料中，增强体和基体的相互协调成了影响其超塑性的重要因素。在合金中，两相晶界间滑动被普遍认为是超塑性变形的主要机制。在金属基复合材料中，晶粒也要长大，而其长大的过程又受到增强体的限制，这就使大量位错在增强体附近沉积下来造成了应力集中，使孔洞得以形成和长大。因此，复合材料中影响超塑性的重要指标并不是晶粒度，增强体为孔洞的形核与长大所创造的条件则成了关键。LOGO超塑性材料一般都是空洞敏感材料，成型过程中空洞的演变会大大降低材料的成型性能及成形后零件的使用性能，因此超塑性材料成形过程中空洞损伤演变的规律具有理论价值和实际意义。但对于超

6、塑性成形这类高温、模腔封闭、变性机制复杂的金属成形问题，常规方法测试分析困难，成本高、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则为此类问题的解决提供了有效地手段。第第8章章LOGO金属基复合材料的强度与损伤分析金属基复合材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材料(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 模型描述韧性基体的损伤.并用上述模型分析了长纤维增强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材料强度及损伤、破坏模式之间的关系。LOGO MMCs具有高比刚度、高比强度

7、等优良性能,但同时表现出比单一材料更复杂的力学行为,增强相附近会产生应力集中并引发材料损伤,如增强相断裂、界面脱粘和基体损伤等.在复合材料的分析中,界面分析是个关键.MMCs的界面往往很薄,远小于其增强相纤维或颗粒直径的尺寸。将界面处理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，对内聚力模型进行了总结和改进，第第8章章LOGO金属基复合材料的强度与损伤分析金属基复合材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，破坏前往往要经历较大的塑性变形，从细观层次上看，损伤可能涉及两级孔洞的

8、演化：大孔洞由增强相的脱粘产生，大孔洞或增强相之间基体中的变形局部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 模型描述。LOGO用损伤模型分析了连续纤维增强的MMCs在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材料拉伸强度的影响.横向荷载条件下,纤维断裂不是主要的损伤形式,只考虑界面和基体损伤的影响.2损伤实验模型损伤实验模型2.1 界面损伤模型内聚力模型原来描述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,可以模拟复合材料界面的本构。第第8章章LOGO

9、金属基复合材料的损伤与失效内聚力模型讨论的是界面上下表面的粘结力与相对位移之间的关系LOGO金属基复合材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 是界面受压时的模量,由于界面很薄,压缩量很小,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 为界面经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,只有接触效应,此时(2)式可以改写为第第8章

10、章LOGO金属基复合材料的损伤与失效2.2 基体损伤模型Gurson2Tvergaard 材料本构的屈服函数为LOGO金属基复合材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 是基体材料的实际屈服应力,f 和f3分别是实际和等效孔洞体分数,f C 和f F 对应于材料损伤开始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金属基复合材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,可通过宏、细观塑性功率相等的条件求得式(7)的第一部分可以通过塑性体

11、积不可压缩条件得到,对于应变控制形核的情况,式(7)的第二部分可表为如下形式LOGO金属基复合材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 为形核应变的标准差,h为硬化函数.基体设为幂硬化材料N 为硬化指数,EM 为杨氏模量,0 为初始屈服应力。LOGO2.3脆性材料的失效准则脆性材料的破坏准则采取最大主应力准则形式。如果R1、R2和R3 分别用来表示三个主应力,那么破坏准则为这里R0 是脆性材料的单向拉伸强度。第第8章章LOGO金属基复合材料的损伤与失效3损伤结论损伤结论3.1 结构界面脱开是一个迅速过程,会导致金属基复合材料强化能力的显著降低。增强相端头

12、处界面的脱开会使附近基体中发生应力松驰,从而减弱了此处基体中孔洞的成核与长大速度,而增强相侧壁处界面的脱开则促进了增强相侧壁间基体内孔洞的成核与发展。这是因为此处界面的脱开阻碍了荷载的剪切滞后传递能力,从而导致这个区域内基体承担了过多的荷载。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。基体内孔洞的发展和分布是比较均匀的,在发生失效前一般也是很稳定的。LOGO可以说,损伤是由整个金属基体来承担。因此复合材料获得了非常好的塑性变形能力。但是却导致了复合材料强化能力的过度降低。3.2 性质界面的性质是决定材料性质的重要因素,界面强度越高,界面脱粘发生得越晚,材料的最终强度越大;若界面强度很大,脱粘不发生,材料的强度由基体的性质决定。界面的临界相对位移值越大,界面的韧性越好,脱粘发生得越晚。第第8章章LOGO金属基复合材料的损伤与失效不同界面强度对应的计算胞元的破坏模式不同,弱界面破坏时,界面完全脱粘,纤维剥落;中等界面破坏时,部分界面脱粘;强界面破坏时,破坏在基体中发生。