金属基复合材料横向力学性能.ppt

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1、 XXXdaxue 毕业论文毕业论文 金属基复合材料横向力学性能（三）学生姓名：XXX 学号：XXXXX 系 部：机械工程系 专 业：材料成型机控制工程 指导老师：XXXX 2011.06.151 1 绪论 一.复合材料的发展：复合材料的发展经历了从自然材料到人工材料、简单结构材料到复杂结复合材料的发展经历了从自然材料到人工材料、简单结构材料到复杂结构功能材料各个阶段，而逐渐进入更高、更精、更快的发展阶段，它与航天、构功能材料各个阶段，而逐渐进入更高、更精、更快的发展阶段，它与航天、能源、信息、生物等技术结合起来，带动高科技进入崭新的、高速的发展阶能源、信息、生物等技术结合起来，带动高科技进入

2、崭新的、高速的发展阶段。段。在各种复合材料的发展过程中，金属基复合材料（在各种复合材料的发展过程中，金属基复合材料（MMCsMMCs）的研究和生产）的研究和生产比较晚，但由于具有低热胀系数、高耐热性、在动力结构方面的高比强度、比较晚，但由于具有低热胀系数、高耐热性、在动力结构方面的高比强度、高比模量、耐磨损和抗老化等特点，而备受人们青睐，尤其在汽车、航空、高比模量、耐磨损和抗老化等特点，而备受人们青睐，尤其在汽车、航空、航天领域得到广泛应用。航天领域得到广泛应用。目前对金属基复合材料的应用和研究目前对金属基复合材料的应用和研究处于领先地位的是美国和日本处于领先地位的是美国和日本。例如。例如美国

3、在美国在19871987年发射的年发射的“哥伦比亚号哥伦比亚号”航天飞机的货舱桁架使用的就是硼纤维航天飞机的货舱桁架使用的就是硼纤维增强铝基复合材料。日本在这方面起步较晚，但发展速度较快，如日本的本增强铝基复合材料。日本在这方面起步较晚，但发展速度较快，如日本的本田公司首先在气缸活塞上应用了田公司首先在气缸活塞上应用了AL2O3AL2O3短纤维增强铝合金复合材料，并实现大短纤维增强铝合金复合材料，并实现大规模化生产。规模化生产。我国的金属基复合材料研究起步的时间和日本差不多，近几年有了较大的我国的金属基复合材料研究起步的时间和日本差不多，近几年有了较大的发展，但我们国家的整体研究水平与实用化程

4、度还不能与美国和日本相比，发展，但我们国家的整体研究水平与实用化程度还不能与美国和日本相比，大多还处在实验研究阶段。大多还处在实验研究阶段。实际应用甚少，主要障碍是制备工艺复杂、成本实际应用甚少，主要障碍是制备工艺复杂、成本高。高。2 2二.金属基复合材料的应用 1.航空、航天及军事领域；2.汽车工业；3.技术产业；4.其他民用工业。3 3三.本课题主要研究及内容 内容：本课题选用内容：本课题选用ANSYSANSYS程序，对复合材料横向程序，对复合材料横向性能进行有限元分析，在模拟过程中逐一考虑基性能进行有限元分析，在模拟过程中逐一考虑基体性能参数中的弹性模量、屈服强度、热胀系数体性能参数中的

5、弹性模量、屈服强度、热胀系数的变化对横向性能的影响；的变化对横向性能的影响；目的：通过比较基体性能参数的变化对横向性能目的：通过比较基体性能参数的变化对横向性能的影响，为复合材料的制备和力学性能的分析提的影响，为复合材料的制备和力学性能的分析提供一定的理论指导。供一定的理论指导。4 4 第一章 钛基复合材料 之所以选择钛基复合材料作为研究对象，是因为：之所以选择钛基复合材料作为研究对象，是因为：钢要达到高的比强度，制造工艺上十分困难；高度不锈钢要达到高的比强度，制造工艺上十分困难；高度不锈钢在很多情况下仍会产生锈蚀；铝合金密度虽低，但比钢在很多情况下仍会产生锈蚀；铝合金密度虽低，但比强度太低，

6、而且温度越高，性能越差。强度太低，而且温度越高，性能越差。SiCSiC长纤维增强长纤维增强TiTi基复合材料与传统钛合金相比有更高的比强度、比刚度基复合材料与传统钛合金相比有更高的比强度、比刚度和使用温度及抗疲劳、抗蠕变性能好等优点，和使用温度及抗疲劳、抗蠕变性能好等优点，被认为是被认为是最具有潜力的航空材料之一，因而近年来受到国内外的最具有潜力的航空材料之一，因而近年来受到国内外的广泛关注。广泛关注。5 5一.钛基复合材料的横向性能 连续连续SiCSiC纤维增强钛基复合材料（纤维增强钛基复合材料（TMCsTMCs）沿纤维）沿纤维长度方向（纵向）具有高的比强度、比刚度和高长度方向（纵向）具有高

7、的比强度、比刚度和高的抗蠕变性能，然而不幸的是横向性能低于传统的抗蠕变性能，然而不幸的是横向性能低于传统钛合金。例如，钛合金。例如，横向拉伸强度大约只有横向拉伸强度大约只有1/31/3的纵向的纵向拉伸强度。而零件在使用过程中不可避免的要受拉伸强度。而零件在使用过程中不可避免的要受到横向载荷，过大的横向载荷会使复合材料性能到横向载荷，过大的横向载荷会使复合材料性能未达到设计指标之前，已经提前造成材料的失效未达到设计指标之前，已经提前造成材料的失效断裂。断裂。因此，如何提高因此，如何提高TMCsTMCs的横向性能就是我们的横向性能就是我们现在要研究的。现在要研究的。6 6二.横向性能的测量方法 传

8、统测量复合材料的横向性能多采用实验法，但是测试一直存在困难，而且测量结果的偏差比较大。所以我们现在选用有限元法计算横向性能。借助计算机的运算能力，形象直观的研究复合材料的横向性能。7 7 第二章 有限元法ANSYSANSYS有限元法是随着电子计算机的发展而迅速有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。发展起来的一种现代计算方法。可以用来求解结可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。ANSYSANSYS软件的特点是：软件的特点是：模拟能力强；后处理能力模拟能力强；后处理能力强；开放性好。强；开放性好。ANSYSANSYS分析问题

9、的典型步骤：分析问题的典型步骤：建立有限元模型；建立有限元模型；加载和求解；加载和求解；结果后处理和查看结果。结果后处理和查看结果。8 8 第三章 复合材料横向性能数值模拟一一.复合材料的复合材料的ANSYSANSYS模拟模拟 1.1.材料性能参数材料性能参数材料性能参数材料性能参数 模拟使用模拟使用连续连续SiCSiC纤维增强纤维增强Ti-6Al-4VTi-6Al-4V复合材料，下表复合材料，下表3-13-1是该材料在不同温是该材料在不同温度下的基体性能参数：度下的基体性能参数：表表3-1 Ti-6Al-4V3-1 Ti-6Al-4V的主要性能参数的主要性能参数 温度温度（）弹性模量弹性模量

10、（GPaGPa）泊松比泊松比 热涨系数热涨系数 （1010 6/6/）屈服强度屈服强度 （MPaMPa）20 20 114.0114.0 0.230.23 8.88.8 900900 200 200 103.8103.8 0.230.23 9.89.8 792792 400 400 92.692.6 0.230.23 10.310.3 516516 600 600 76.476.4 0.230.23 10.810.8 332332 800 800 62.862.8 0.230.23 11.511.5 1481489 92.2.有限元模型有限元模型 本次模拟复合材料本次模拟复合材料SiCSiC/

11、Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V，Y Y 假设其中假设其中SiCSiC纤维体积分数为纤维体积分数为35%35%，纤维直径约为纤维直径约为140m140m，数值模拟，数值模拟 C BC B 在在2020下进行，应用均匀增加载荷下进行，应用均匀增加载荷 对模型的右边界进行拉伸试验，直对模型的右边界进行拉伸试验，直 到复合材料失效。到复合材料失效。模拟时材料模型应满足：模拟时材料模型应满足：（1 1）Y=0Y=0面上的节点在面上的节点在X X方向上方向上 的位移为的位移为0 0；O A X O A X （2 2）X=0X=0面上的节点在面上的节点在Y Y方向上方向上 的位移为的位移为0 0；3

12、-1 3-1 复合材料有限元模型复合材料有限元模型 （3 3）体元始终保持）体元始终保持1/41/4四边形。四边形。1010 在有限元模拟过程中，横向力载荷未施加之前我们先来看看在有限元模拟过程中，横向力载荷未施加之前我们先来看看复合材料的残余应力。复合材料的残余应力。基体性能参数未变化之前，从残余应力分布云图可以看出，基体性能参数未变化之前，从残余应力分布云图可以看出，最大径向压力为最大径向压力为199.946MPa199.946MPa，环向最大拉应力为，环向最大拉应力为337.183MPa337.183MPa。图图3-2 SiC/Ti-Al-4V3-2 SiC/Ti-Al-4V残余应力径向

13、和环向分布云图残余应力径向和环向分布云图 1111 在载荷加载过程前期，复合材料处于线性阶段，随着横向力在载荷加载过程前期，复合材料处于线性阶段，随着横向力载荷的增加出现非线性拐点，拐点以后应力载荷的增加出现非线性拐点，拐点以后应力-应变曲线斜率出现应变曲线斜率出现下降，直到复合材料沿界面断裂。由该复合材料的应力下降，直到复合材料沿界面断裂。由该复合材料的应力-应变曲应变曲线线3-33-3可以看出，可以看出，该复合材料抗拉强度约为该复合材料抗拉强度约为900MPa900MPa，断裂时的应，断裂时的应变约为变约为0.85%0.85%。3-3 3-3 复合材料的应力复合材料的应力-应变曲线应变曲线

14、 800 600 400 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 （%）（MPa）1000 1212三.基体材料性能对横向性能的影响 保持其他性能参数不变，将基体（保持其他性能参数不变，将基体（Ti-6Al-4VTi-6Al-4V）的各项性能）的各项性能参数分别降低和升高参数分别降低和升高10%10%后为，再在相同条件下进行等条件后为，再在相同条件下进行等条件的横向拉伸。变化后的基体性能参数如表的横向拉伸。变化后的基体性能参数如表3-23-2。表表3-2 3-2 变化后的基体性能参数变化后的基体性能参数 降低降低10%10%后后 未变化时未变化时 升高升高10%10%后后 热胀系数

15、（热胀系数（10-6/10-6/）7.297.29 8.88.8 9.689.68 弹性模量（弹性模量（MPAMPA）102.6102.6 114.0 114.0 125.4125.4 屈服强度（屈服强度（MPAMPA）990 990 900900 81081013131.热胀系数变化的影响热胀系数变化的影响 当热膨胀系数升高当热膨胀系数升高10%10%后，最大后，最大径向压力径向压力233.918MPa233.918MPa，和分布云，和分布云图图3-13-1相比较，升高了相比较，升高了16.99%16.99%，环向最大拉应力为环向最大拉应力为394.575 394.575 MPaMPa，升高

16、了，升高了17.01%17.01%；当热胀系数；当热胀系数降低降低10%10%后，最大径向压力为后，最大径向压力为114.688 114.688 MPaMPa，降低了，降低了42.64%42.64%，环向最大拉应力为环向最大拉应力为238.967MPa238.967MPa，降低了降低了36.66%36.66%。换言之，基体。换言之，基体的热膨胀系数越大，残余应力越的热膨胀系数越大，残余应力越大。大。当热膨胀系数升高当热膨胀系数升高10%10%，复合，复合 材料在载荷加到材料在载荷加到800800850MPa850MPa 时，复合材料沿界面断裂，断时，复合材料沿界面断裂，断 裂应变约为裂应变约为

17、0.80%0.80%，如曲线，如曲线。当热膨胀系数降低当热膨胀系数降低10%10%，复合材，复合材料当载荷加到料当载荷加到 900900950MPa950MPa时，时，复合材料沿界面断复合材料沿界面断 裂，断裂应变裂，断裂应变 约为约为0.95%0.95%，如曲线，如曲线 。即热胀。即热胀系数越小，横向性能越好。系数越小，横向性能越好。10001000 800 800 600 600 400 400 200 200（MPa）（%）0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.014142.屈服强度变化的影响 当屈服强度升高当屈服强度升高10%10%后和降低后和降低10%10%后，热残余应力的后，热残

18、余应力的分布云图和图分布云图和图3-13-1相比较，最大径向压力和最大环向拉相比较，最大径向压力和最大环向拉应力和屈服强度没有发生变化时相比，几乎不变。换言应力和屈服强度没有发生变化时相比，几乎不变。换言之，基体的屈服强度差异的多少几乎不影响热残余应力之，基体的屈服强度差异的多少几乎不影响热残余应力的大小。的大小。屈服强度升高屈服强度升高10%10%和降低和降低10%10%，复合材料在载荷的加载，复合材料在载荷的加载与基体性能参数无变化时相比较，应力与基体性能参数无变化时相比较，应力-应变曲线无变应变曲线无变化，与图化，与图3-33-3相似。抗拉强度仍为相似。抗拉强度仍为900MPa900MP

19、a，断裂时的应，断裂时的应变约为变约为0.85%0.85%。15153.弹性模量变化的影响 当弹性模量升高当弹性模量升高10%10%后，最大后，最大径向压力为径向压力为217.327 217.327 MPaMPa，和分，和分布云图布云图3-13-1相比较，升高了相比较，升高了8.69%8.69%，环向最大拉应力为，环向最大拉应力为369.914 369.914 MPaMPa，升高了，升高了9.35%9.35%；当弹性模量降低当弹性模量降低10%10%后，最大后，最大径向压力为径向压力为182.15 182.15 MPaMPa，降低，降低了了8.90%8.90%，环向最大拉应力为，环向最大拉应力

20、为304.74MPa304.74MPa，降低了，降低了9.65%9.65%。基。基体的弹性模量影响残余应力的体的弹性模量影响残余应力的大小。大小。弹性模量升高弹性模量升高10%10%，复合材料，复合材料当载荷加到当载荷加到850850900 900 MPaMPa时，时，复合材料沿界面断裂，断裂应复合材料沿界面断裂，断裂应变约为变约为0.90%0.90%，如曲线，如曲线 。当。当弹性模量降弹性模量降10%10%，复合材料在，复合材料在载荷加到载荷加到750750800MPa800MPa时，复时，复合材料沿界面断裂，断裂应变合材料沿界面断裂，断裂应变约为约为0.80%0.80%，如曲线，如曲线 。

21、弹性。弹性模量越大，横向性能越好模量越大，横向性能越好。（MPa）10001000 800 800 600 400 400 200 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 （%）1616四.本章总结 可以看出，基体热膨胀系数对残余应力的影响最大，可以看出，基体热膨胀系数对残余应力的影响最大，弹性模量次之，屈服强度几乎没影响。另外，热胀系数弹性模量次之，屈服强度几乎没影响。另外，热胀系数和弹性模量的变化对径向应力的影响比对环向应力的影和弹性模量的变化对径向应力的影响比对环向应力的影响大。响大。而从复合材料横向性能的影响来看，热胀系数的变化而从复合材料横向性能的影响来看，热胀系数的变化

22、对横向性能影响最大。热膨胀系数越小，复合材料承受对横向性能影响最大。热膨胀系数越小，复合材料承受横向力载荷越大；弹性模量的变化对横向性能的影响不横向力载荷越大；弹性模量的变化对横向性能的影响不及热胀系数；屈服强度的变化对复合材料的横向性能几及热胀系数；屈服强度的变化对复合材料的横向性能几乎没有。乎没有。综上，综上，在金属基复合材料制备时，要尽量降低热胀在金属基复合材料制备时，要尽量降低热胀系数和增大弹性模量，这样，复合材料在现实的应用中，系数和增大弹性模量，这样，复合材料在现实的应用中，才能更好的发挥作用。才能更好的发挥作用。1717 感谢娄菊红老师的悉心指导！感谢评委老师的耐心审核！1818