铁素体基颗粒增强材料的细观有限元模拟

作     者：杨先锋 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李达

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：颗粒增强 有限元模型 RVE模型 多晶模型 晶体塑性 

摘      要：颗粒增强金属基复合材料兼有金属和陶瓷两者的优点,具有较高的强度和硬度、优异的阻尼性能和耐磨性能、良好的尺寸稳定性等,主要应用在航空航天、道路桥梁以及汽车工业等行业。其中,颗粒种类、分布等对复合材料力学性能有着重要影响,而采用有限元方法可以对复合材料进行结构设计,并预测其力学性能。但是目前研究主要采用代表性体积元(RVE)模型,即复合材料由单一的基体与硬质相颗粒机械混合而成,并未考虑更多微细特征。因此,本文在此基础上提出了一种颗粒增强复合材料的晶体塑性有限元模型,考虑了晶界、位错滑移、晶格类型等更多的细观特征,以使模拟过程更加符合实际。首先,本文基于RSA随机算法,建立了多颗粒随机分布模型,加载周期性边界条件,进行了单轴拉伸模拟。模拟和实验结果基本吻合,表明了模型具有一定的可靠性。然后对不同颗粒形状、体积分数、粒径和界面结合性能的颗粒增强铁基复合材料模型进行了单轴拉伸试验模拟,结果表明,颗粒体积分数为30%时,材料的复合力学性能较好;尖角处应变极大,影响了基体的载荷传递效果;小颗粒内部的平均应力更多,为主要的承载相,强化效果更加理想;强界面模型会形成沿着载荷方向的应变带,载荷传递效果更好,对于弱界面模型,高应变区域主要沿着位移载荷方向的45度或135度角方向.其次,基于Voronoi图算法和晶体塑性本构模型,建立了单晶及考虑晶界影响区的多晶模型。并将单晶和多晶模型拉伸模拟结果与文献数据进行了对比验证;研究发现,不同位置和取向的晶粒会影响剪切应变率的变化趋势,最终影响晶粒塑性变形量;发现颗粒只分布在晶界的情况下,随着体积分数和颗粒弹性模量的增加,复合材料综合力学性能增加。晶界颗粒减小了晶粒内部开裂概率,使晶界区域附近的高塑性应变区域减小。当颗粒只分布在晶粒内部的时候,基体高应力区域增加,材料强度显著提高。但是材料的变形机制发生了变化,由沿着解理面的穿晶断裂逐渐发展为沿晶断裂。该改进模型可以研究细观特征对多晶材料微区应力应变分布,预测多晶材料的失效形式。