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长纤维MMC微观力学模型与性能评价

作　者: 杨大鹏
导　师: 刘新田
学　校: 郑州大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 失效机制塑性流变过程塑性变形连续纤维MMC
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

金属基复合材料是一种多相体材料，包括基体，增强或增韧相，界面相等。其性能和损伤破坏规律，断裂失效机制，塑性流变过程取决于其组分材料性质，但也取决于其微观结构特性，这些特征有增强相的体积分数，分布规律，形状，界面相的性质等，因此有必要建立MMC微观力学模型以建立金属基复合材料宏观性能与其组分材料、微观结构之间的定量关系，并揭示不同的材料组合具有不同宏观性能的内在机制。金属基复合材料的微观力学模型可抽象为层板模型，同心圆柱模型，回字形模型，外方内圆模型，外圆内方模型五大模型。就弹性与非弹性性质而言，复合材料是本性不均匀的。其结果是，在外加载荷作用下，金属基复合材料内部的应力分布是不均匀的。此种不均匀分布决定了材料的行为，并可用以解释复合材料相对于传统材料的优越性能。基于一定简化假设，本文已经概括构造出作为分析和研究更为复杂的金属基连续纤维复合材料的基石的五种模型，同时分别就此五大基本力学模型进行定量计算，求解出其轴向刚度，横向刚度，切变模量，泊桑比等力学性能。因五大模型之间既存在着相异性，又存在统一性，且都是组成真实复合材料的基本单元模型，故在计算实际连续纤维金属基复合材料的有效常数，有效性能时，可以将五大模型的性能的定量解有机地结合起来，合理地取舍。金属基连续纤维复合材料在拉伸及压缩时通常表现出非对称性，受载过程中增强相常保持弹性状态，于是基体的塑性流变机制的研究尤为重要。控制基体塑性变形的因素有两大类：影响基体应力状态的因素，因与增强组分混合而引起的显微组织改变并进一步改变基体流变性质的因素。对于长纤维MMC，内应力的发展速度和基体显微结构共同控制其宏观的应力—应变关系。轴向应力，应变行为可分为三个阶段：Ⅰ阶段，弹性基体—弹性纤维；Ⅱ阶段，塑性基体—弹性纤维；Ⅲ阶段，塑性基体—塑性或断裂纤维。在第一阶段过程中，两个相的平均弹性应变都等于复合材料应变。在第二阶段，基体的弹性应变与塑性应变之和等于MMC应变。在此阶段，长纤维与基体间的无应力错配等于基体的弹性应变与塑性应变之和，符号相反。但因纤维的约束效应，复合材料的塑性应变远小于基体的塑性应变。这意味着无载状态下两个相内部所受的应力和应变始终由应力平衡所协调。增强基体的原位加工硬化速率是非增强材料的加工硬化速率的若干倍，其原因并非是基体亚结构强化。这种强化的影响并不大。真正原因是纤维周围的局部应力场有排斥位错的本质，位错难以穿过纤维。第三个阶段中，基体的塑性应变等于MMC的应变。本文改进并深化了Eshelby方法，将其用来模拟MMC，建立了长纤维MMC的塑性流变机制与模型。长纤维复合材料的断裂失效是复杂的损伤演化过程。由于纤维强度是一随机变量，损伤演化实际上是一随机过程。又由于其加工工艺的限制，长纤维MMC之结构在受载之前通常已经具有各种初始缺陷和损伤，而且在外加载荷远小于其极限载荷时，MMC中基体可能会产生许多垂直于纤维方向的微裂纹，界面也可能会发生脱胶，部分较弱的纤维也可能已断裂。因此，基体开裂，界面脱胶及纤维断裂是其最典型的损伤和破坏模式。本文已建立长纤维MMC断裂失效模型，以及长纤维MMC层叠板的损伤模型。在复合材料中，界面的作用非常重要。硬化和强化依赖于跨过界面的载荷传递，塑性则受靠近界面的峰值应力的松弛的影响。界面粘结应力对界面的力学性能以至整体复合材料的力学性质都具有重要作用。当粘结强度很高时，基体可有效地通过界面把载荷传递给纤维，从而增加长纤维MMC自身的弹性承载能力，塑性屈服极限，断裂极限应力．本文在各章中都不同程度地涉及到界面应力应变的分析，并结合具体材料实例对长纤维MMC的力学性能进行了系统的评价。在微观层次上，复合材料作为由两种或多种组分构成的宏观非均匀材料可用适当的具有某种周期分布的微结构材料表示。于是针对某一周期的非均匀材料单元，利用有限差分方法，能够在数值上求得纤维，基体，界面处的应力分布，进而预报其有效性能。本文已建立用于求解长纤维MMC层合板脱层损伤应力值的有限差分模型。基于上述的各种力学模型及MMC性能的评价，长纤维MMC的可设计性将进一步提高。

全文目录

符号表  8-9
第一章绪言  9-12
  1．1 金属基连续纤维复合材料微观力学模型的研究概况  9-10
  1．2 本研究的主要工作  10-12
第二章五大基本力学模型的构造  12-21
  2．1 引言  12
  2．2 层板模型  12-14
  2．3 同心圆柱模型  14-16
  2．4 回字形模型  16-17
  2．5 外方内圆模型  17-19
  2．6 外圆内方模型  19-20
  2．7 本章小结  20-21
第三章长纤维MMC的塑性流变机制  21-34
  3．1 引言  21
  3．2 模拟复合材料的Eshelby方法  21-24
  3．3 长纤维MMC的塑性流变过程  24-33
  3．4 本章小结  33-34
第四章长纤维MMC的断裂过程、失效机制  34-59
  4．1 引言  34
  4．2 长纤维MMC的损伤过程  34-58
    4．2．1 层片的损伤  34-38
    4．2．2 非轴向加载  38-40
    4．2．3 长纤维MMC层叠板的损伤失效  40-54
    4．2．4 长纤维MMC的断裂韧性和疲劳裂纹长大  54-58
  4．3 本章小结  58-59
总结  59-60
参考文献  60-64
致谢  64

长纤维MMC微观力学模型与性能评价

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