顆粒增強鐵基復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的有限元分析.pdf

1、顆粒增強金屬基復(fù)合材料具有性價比高、制備工藝簡單,易于再加工、和耐磨等優(yōu)點,在工程應(yīng)用上正扮演著重要的角色;其中混合著低密度、高剛度和高強度顆粒的鐵基復(fù)合材料被認(rèn)為有著廣泛的應(yīng)用前景。然而顆粒增強鐵復(fù)合材料在生產(chǎn)、加工及服役過程中,不可避免地要接觸到高溫環(huán)境,如必要熱處理或在高溫、熱循環(huán)載荷下工作等。由于溫度梯度的存在及基體和顆粒間物理參數(shù)的差異等因素,會在顆粒增強鐵基復(fù)合材料的顆粒和基體結(jié)合面處產(chǎn)生熱應(yīng)力。大量的研究表明,存在于顆粒增

2、強鐵基復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力會對顆粒增強鐵基復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響,進(jìn)而導(dǎo)致由該材料所制備的產(chǎn)品壽命的減少。
　　首先,本文采用軸對稱單胞模型,參照熱應(yīng)力的有限元分析理論,在 ANSYS中建立了碳化物增強鐵基復(fù)合材料的有限元模型,根據(jù)制備碳化鈮增強鐵基復(fù)合材料的熱處理工藝,利用有限元軟件計算了模型的熱應(yīng)力。在對熱應(yīng)力進(jìn)行分析過程中考慮到了以下幾點因素:
　　1、顆粒和基體物理性能；
　　2、材料的熱處理路線；<

3、br>　　3、增強相顆粒的形狀。
　　計算結(jié)果顯示,在相同工藝路線下(相同的起始溫度和冷卻方式),模型中溫度變化的情況與顆粒的形狀無關(guān)。從等效應(yīng)力的分布和數(shù)值來看,三個模型在顆粒和基體的結(jié)合面處均有應(yīng)力集中現(xiàn)象。球形顆粒有助于緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象和降低材料中的熱殘余應(yīng)力。圓柱形顆粒由于與基體結(jié)合面處存在尖銳的結(jié)合面,所以在該處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。橢球形顆粒模型中的熱殘余應(yīng)力雖然最大,但其結(jié)合面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象比起圓柱形顆粒有所緩解。<

4、br>　　其次本文在球形軸對稱單胞模型的基礎(chǔ)上結(jié)合材料微觀結(jié)構(gòu),采用與單胞模型分析時相同的參數(shù),在ANSYS中分析了不同顆粒分布狀況對材料熱應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,團聚模型的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯,顆粒的均勻分布有利于緩解顆粒增強鐵基復(fù)合材料內(nèi)部的熱殘余應(yīng)力集中的現(xiàn)象,使熱應(yīng)力分布趨于均勻。顆粒梯度分布的模型中熱應(yīng)力呈現(xiàn)出了梯度分布現(xiàn)象,使材料在顆粒濃度不同的層上能夠獲得不同的性能。
　　此外,本文利用 ANSYS中的參數(shù)化設(shè)計語言對