高體積分數(shù)金屬基復合材料SiCp-2024Al動態(tài)力學性能研究.pdf

1、高體積分數(shù)顆粒增強金屬基復合材料由于其具有高比剛度、高比強度、低密度和優(yōu)越的熱學性能，使得其被廣泛地應用于航空航天、軍工、裝配和電子封裝等領域。其中，在很多領域涉及到動態(tài)載荷的作用，而材料在準靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷作用下的力學性能存在著顯著的差異。研究其動態(tài)力學性能及其機理，為該類復合材料的材料設計與開發(fā)以及工程應用等方面具有重要意義。
　　本文針對高體積分數(shù)顆粒增強金屬基復合材料SiCp/2024Al的動態(tài)力學性能進行了實驗和數(shù)值模

2、擬研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　分別采用霍普金森壓桿(SHPB)動態(tài)壓縮加載裝置和Instron材料試驗機研究了鑄造、退火和T6熱處理的三種顆粒體積分數(shù)40％、45%和50%SiCp/2024Al復合材料的壓縮力學性能，其中應變率測試范圍為0.001/s-2500/s。由于高體積分數(shù)顆粒增強金屬基復合材料具有一定的脆性，通常的SHPB加載方法表現(xiàn)出一定的局限性。為此，采用了波形整形的方法，通過對實驗結(jié)果的比較與分析，選

3、擇尺寸為Ф5mm×1mm的黃銅墊片作為整形器，以實現(xiàn)試件在變形過程中處于應力平衡和常應變率變形狀態(tài)，滿足了SHPB工作原理應力和應變均勻性的假設，保證了實驗結(jié)果的可靠性。
　　準靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗結(jié)果表明，不同體積分數(shù)SiCp/2024Al復合材料表現(xiàn)出明顯不同的變形行為。其中，與準靜態(tài)相比，高應變率下復合材料表現(xiàn)出較高的延伸率；顆粒體積分數(shù)為40%的復合材料在高應變下從腰鼓狀變形逐漸至剪切破壞，具有較大的延伸率和較好的塑性，而顆

4、粒體積分數(shù)為45%和50%的復合材料則從剪切破壞到劈裂破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性；結(jié)合文獻中體積分數(shù)40%以下的顆粒增強金屬基復合材料在高應變率不發(fā)生破壞的實驗結(jié)果，本文的實驗結(jié)果表明，對于SiCp/2024Al復合材料，40%左右顆粒體積分數(shù)為該復合材料由塑性至脆性特性轉(zhuǎn)變的臨界體積分數(shù)。
　　通過單軸壓縮實驗得到了SiCp/2024Al復合材料在應變率范圍為0.001-2500/s的應力應變曲線，實驗結(jié)果表明，應變率對復合材料的流

5、動應力有明顯的影響。其中，顆粒體積分數(shù)為40%的復合材料的流動應力隨著應變率的增大而提高，而顆粒體積分數(shù)為45%和50%復合材料的流動應力則是隨著應變率的增大先增大后減小，這一趨勢可能是由于高應變率下絕熱壓縮過程中生成的熱所引起的軟化效應所導致的，本文還討論了顆粒體積分數(shù)、熱處理、應變硬化和應變率硬化對復合材料動態(tài)力學性能的影響。
　　通過對壓縮試件斷口的SEM照片分析，觀察到了基體在高應變率下發(fā)生熔化的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可能是由于絕

6、熱壓縮是塑性變形轉(zhuǎn)換生成的熱所引起的。結(jié)合此現(xiàn)象，以及試件的宏觀變形和不同應變率下的應力應變曲線結(jié)果表明，高應變率下，顆粒增強金屬基復合材料SiCp/2024Al的變形機理為：低體積分數(shù)復合材料是由基體變形承受、傳遞載荷，而高顆粒體積分數(shù)則是由顆粒相接觸形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)承受載荷。
　　針對上述動態(tài)壓縮實驗還進行了數(shù)值模擬分析。其中，利用有限元軟件LS-DYNA建立了含有不同長徑比橢球形顆粒的二維軸對稱和三維的單胞模型，根據(jù)SEM照片

7、中發(fā)現(xiàn)熔化現(xiàn)象，為了分析和比較熱軟化效應的影響，本文分別采用了Cowper-Symonds和Johnson-Cook材料模型進行了數(shù)值計算。計算結(jié)果表明，帶有溫度軟化的Johnson-Cook模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較吻合，還利用從隱式到顯示計算分析了動態(tài)沖擊載荷下的熱殘余應力的影響。
　　在此基礎上，利用有限元LSDYNA軟件計算分析了不同顆粒體積分數(shù)、長徑比和顆粒形狀等對SiCp/2024Al復合材料動態(tài)力學性能的影響。數(shù)值