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结构参数对规则多孔铜力学行为的影响

作　者: 彭震
导　师: 黎振华；金青林
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 多孔铜力学行为有限元模拟(FES) 气孔率各向异性
分类号: TG146.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

多孔金属具有密度低、比强度高、比表面积大和热导率低等优良的性能特点,逐渐成为各工业领域不可或缺的工程材料。金属-气体共晶定向凝固法能制备一种气孔呈规则的圆柱形定向排列在基体中的多孔金属,因此称之为规则多孔金属。通过控制相关工艺参数成功地制备了不同结构参数的规则多孔铜。为了探索结构参数对规则多孔铜力学行为的影响规律,研究其力学行为的各向异性,对不同结构参数的规则多孔铜进行了室温拉伸和压缩实验,并对其拉伸和压缩行为进行有限元分析。规则多孔铜的拉伸性能主要由气孔率和载荷方向决定。拉伸性能随着气孔率的增大而逐渐下降,其中0°方向的拉伸性能随着气孔率的增大而线性下降。拉伸性能呈明显的各向异性,0°方向的拉伸性能最好,45°方向次之,90°方向最差。抗拉强度的实验数据、数学模型数据和有限元模拟数据进行对比能起到相互验证的作用。在0°方向拉伸时,随着气孔率的增大而线性下降；45°方向拉伸时,应力集中模型结果与实验数据符合良好；90°方向拉伸时,气孔率在30%～50%范围内实验数据与应力集中模型更为吻合,而有限元模拟数据与面积承载模型数据更为符合。规则多孔铜的压缩性能随着气孔率的增大明显下降。由于不同压缩方向下试样的变形方式、有效承载面积、晶粒取向和应力集中作用不同,规则多孔铜的屈服强度、抗压强度和能量吸收能力在0°方向最好,30°,45°,60°逐渐降低,90°方向最差。建立了压缩变形过程中应力-应变本构方程,在各压缩方向上的计算应力-应变曲线与实验应力-应变曲线吻合良好。规则多孔铜在压缩变形过程中不同压缩方向的变形方式不同。0°方向主要是气孔壁的弯曲使试样呈现鼓形而破坏其圆整的气孔结构；90°方向主要以气孔的直接压塌变形为主,最终导致气孔壁贴合使多孔材料密实化；而30°,45°和60°方向结合了这两种变形方式使气孔结构破坏。对于压缩有限元分析,0°方向和90°方向模型气孔结构在压缩变形过程中的破坏形式与实验过程一致。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 多孔材料概述  10
  1.2 多孔金属材料的发展现状  10-11
  1.3 规则多孔金属制备的研究现状  11-14
  1.4 规则多孔金属力学行为的研究现状  14-18
  1.5 课题研究的目的、内容及意义  18-20
    1.5.1 课题研究的目的及意义  18-19
    1.5.2 课题研究的内容  19-20
第二章规则多孔铜的制备  20-26
  2.1 金属-气体共晶定向凝固装置  20-21
  2.2 规则多孔铜的制备工艺过程  21-23
  2.3 规则多孔铜结构参数的影响因素  23-26
    2.3.1 规则多孔铜结构参数的计算方法  23-24
    2.3.2 工艺参数对规则多孔铜结构参数的影响  24-26
第三章规则多孔铜的力学行为  26-54
  3.1 规则多孔铜的拉伸行为  26-37
    3.1.1 拉伸实验过程  26-27
    3.1.2 拉伸应力-应变曲线  27-29
    3.1.3 屈服强度  29-30
    3.1.4 抗拉强度  30-31
    3.1.5 拉伸断口形貌  31-32
    3.1.6 拉伸各向异性分析  32-33
    3.1.7 拉伸数学模型  33-37
  3.2 规则多孔铜压缩行为  37-51
    3.2.1 压缩实验过程  37-38
    3.2.2 压缩应力-应变曲线  38-41
    3.2.3 压缩屈服强度  41-42
    3.2.4 能量吸收功  42-43
    3.2.5 压缩变形方式  43-45
    3.2.6 压缩各向异性的机理  45-47
    3.2.7 压缩变形本构关系  47-51
  3.3 本章小结  51-54
第四章规则多孔铜力学行为有限元分析  54-73
  4.1 有限元理论概述  54-55
  4.2 有限元法结构非线性分析  55-59
    4.2.1 材料非线性  55-57
    4.2.2 几何非线性  57-58
    4.2.3 结构非线性分析的设置  58-59
  4.3 拉伸行为有限元模拟  59-68
    4.3.1 模型建立和网格划分  59
    4.3.2 边界条件和载荷加载  59-60
    4.3.3 材料特性  60
    4.3.4 拉伸模型应力-应变曲线  60-61
    4.3.5 有限元模型的抗拉强度  61-62
    4.3.6 沿拉伸方向的应力分布  62-63
    4.3.7 Von Misel应力分布及拉伸变形  63-67
    4.3.8 45° 方向拉伸性能的模拟  67-68
  4.4 压缩行为有限元模拟  68-72
    4.4.1 模型的建立  68
    4.4.2 材料特性  68
    4.4.3 加载和求解  68-69
    4.4.4 Von Misel应力分布及压缩变形  69-72
  4.5 本章小结  72-73
第五章结论与展望  73-75
  5.1 结论  73-74
  5.2 问题和展望  74-75
致谢  75-77
参考文献  77-83
附录  83-88

结构参数对规则多孔铜力学行为的影响

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