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颗粒增强铝基复合材料细观力学研究

颗粒增强铝基复合材料细观力学研究

作者：冯运虎中国矿业大学

学位级别：硕士

由于颗粒增强铝基复合材料具有非常复杂的细观结构,传统的细观力学理论已不能满足对其力学问题进行求解。在数值分析上,传统的有限元法需要划分大量极其细小的网格来模拟颗粒增强铝基复合材料的细观结构,且很难对不同的网格赋予不同的... 详细信息

由于颗粒增强铝基复合材料具有非常复杂的细观结构,传统的细观力学理论已不能满足对其力学问题进行求解。在数值分析上,传统的有限元法需要划分大量极其细小的网格来模拟颗粒增强铝基复合材料的细观结构,且很难对不同的网格赋予不同的材料属性,也不能很好的适用于颗粒增强铝基复合材料。本文提出的细观力学分析方法主要从颗粒增强铝基复合材料的细观结构出发,探讨细观结构发生的变化对结构细观力学特性的影响,研究了基于颗粒增强相细观组分分布、梯度函数输入、基于材料实际细观金相图片输入对颗粒增强铝基复合材料结构进行三维静、动力分析。此外,在细观力学静、动力正演分析理论基础上,发展了一种反演、识别技术,对颗粒增强铝基复合材料的未知参数进行了反演与识别分析。主要研究内容和结论如下:(1)推导了颗粒增强铝基复合材料细观力学分析理论和反演理论。首先采用传统有限元法将构件分为“宏观单元”,再将其进一步细分为“细观单元”,每个细观单元具有不同的材料属性和节点自由度,实现宏观单元与细观单元间的协调与共同作用,再进行计算机求解。在颗粒增强铝基复合材料单参数反演分析时选取DFP算法,多参数反演分析时采用SUMT算法,在静、动力正演分析基础上发展了一种新的反演、识别技术,根据最小二乘原理构建反演分析的数学模型。(2)基于细观力学分析基本理论,使用Fortran语言对静力学程序和动力学程序以及反演算法程序进行开发,并对所编制程序进行数值检验,结果表明本文所编制程序具有计算快、精确性高等优点。(3)基于颗粒增强相梯度函数输入对颗粒增强铝基复合材料板件进行细观力学静力学分析,研究了不同颗粒类型、不同复杂边界条件、不同梯度函数和不同混合颗粒类型对颗粒增强铝基复合材料宏观力学特性的影响,结果表明法向挠度沿厚度均匀分布;水平位移沿厚度线性分布;弯曲应力、面内剪应力沿厚度高次曲线分布;法向剪应力沿厚度抛物线分布;挤压应力沿厚度三次曲线分布,这些结果都与匀质薄板理论一致。(4)基于颗粒增强相随机分布细观结构图片以及基于真实的高熵合金颗粒增强铝基复合材料金相图片信息输入对颗粒增强铝基复合材料结构进行静力分析,得到了其细观力学量变化曲线以及能反映材料内部细观结构变化的应力等值线图,其能很好的体现出金相图片上各材料的细观结构分布,材料细观结构上的微小变化均能得到充分体现,进一步证明本文所述细观力学分析方法的精确性。(5)利用细观力学动力分析程序对颗粒增强铝基复合材料板件进行动力学分析,得到其三维固有频率值、位移振型和应力振型的三维分布。结果表明:不同组分分布对复合材料板件动力特性影响很大,最大相差率为10%;不同材料颗粒复合材料板件固有频率最大相差率为15%;不同体积分数高熵合金颗粒板件的固有频率最大相差率为10%。(6)利用所编制的反演分析程序对颗粒增强铝基复合材料内部未知的参数进行反演、识别分析。即基于静力学及动力学试验测量得到的挠度值和固有频率值,对颗粒增强相梯度函数分布指数、外载荷、单颗粒增强相或混合颗粒增强相弹性模量、泊松比、质量密度及材料名称进行了反演、识别分析,将反演值代入正演分析程序进行计算,并将计算结果与试验测量值进行对比分析,结果表明两者误差非常小,进一步证明本文所提出的反演、识别技术具有较高的精确性,适用于具有复杂细观结构的这一类非均质材料。

关键词：颗粒增强铝基复合材料细观力学金相图片反演

颗粒增强铝基复合材料6066Al/SiCp的时效析出特性

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稀有金属材料与工程 2002年第6期31卷 460-463页

作者：乐永康王哲王恩泽孙建科张迎元西安交通大学陕西西安710049 洛阳船舶材料研究所河南洛阳471039

采用喷射共沉积工艺制备了6066Al基体铝合金以及含不同体积分数增强颗粒的6066Al/SiCp铝基复合材料,与常规熔铸+挤压的基体铝合金比较,喷射共沉积基体铝合金和复合材料的力学性能峰值时效时间明显缩短,即喷射共沉积6066Al和6066Al/SiCp... 详细信息

采用喷射共沉积工艺制备了6066Al基体铝合金以及含不同体积分数增强颗粒的6066Al/SiCp铝基复合材料,与常规熔铸+挤压的基体铝合金比较,喷射共沉积基体铝合金和复合材料的力学性能峰值时效时间明显缩短,即喷射共沉积6066Al和6066Al/SiCp颗粒增强铝基复合材料发生加速时效现象。对材料的微观组织进行常规金相和透射电镜观察,分析了SiCp增强陶瓷颗粒以及喷射共沉积工艺对材料时效析出行为的影响。研究表明:喷射共沉积工艺所形成的非平衡组织中溶质原子浓度高,时效析出驱动力大,有利于时效过程溶质原子扩散和第二相的形核。喷射共沉积材料细化的晶粒组织及复合材料中的高密度位错有利于非均匀形核,是加速材料时效析出动力学过程的主要原因。

关键词：颗粒增强铝基复合材料 6066Al/SiCp 时效析出喷射共沉积

颗粒增强铝基复合材料滑动摩擦行为的载荷依赖性

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机械工程学报 2003年第4期39卷 30-34,70页

作者：翟洪祥杨勇黄振莺北方交通大学机械系北京100044

用盘一块式摩擦试验机,在30 m/s的滑动速度和0.1～0.8 MPa的法向载荷(压强)范围,研究了SiC颗粒增强6061铝合金对碳基材料滑动摩擦行为的载荷依赖性。观察并分析了法向压强对动摩擦因数的随机波动行为、摩擦初期的过渡行为及摩擦面状态... 详细信息

用盘一块式摩擦试验机,在30 m/s的滑动速度和0.1～0.8 MPa的法向载荷(压强)范围,研究了SiC颗粒增强6061铝合金对碳基材料滑动摩擦行为的载荷依赖性。观察并分析了法向压强对动摩擦因数的随机波动行为、摩擦初期的过渡行为及摩擦面状态的影响。重点讨论了相对稳定期动摩擦因数的平均值μAV、标准偏差σ以及过渡期时间t*和初始值μ0对法向压强pn的变化规律。结果表明,随pn值增大,t*线性减小,μ0基本不变,而μAV非单调变化(在大约pn<0.25 MPa的范围内急剧增大,大于这个压强则缓慢减小),σ的变化趋向与μAV类似。

关键词：颗粒增强铝基复合材料滑动摩擦载荷依赖性摩擦试验机

颗粒增强铝基复合材料微观损伤仿真及实验研究

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航空材料学报 2009年第3期29卷 39-44页

作者：杨智勇韩建民李卫京陈跃王金华北京交通大学轨道车辆结构可靠性与运用检测技术教育部工程研究中心北京100044

SiCp/A356复合材料的宏观力学行为与其微观损伤机理密切相关。随着温度的升高,材料力学性能明显下降,SiCp/A356复合材料表现出的微观损伤机理不同。本文建立了球形SiC颗粒与铝基体组成的复合材料单元体计算模型,采用该模型对复合材料的... 详细信息

SiCp/A356复合材料的宏观力学行为与其微观损伤机理密切相关。随着温度的升高,材料力学性能明显下降,SiCp/A356复合材料表现出的微观损伤机理不同。本文建立了球形SiC颗粒与铝基体组成的复合材料单元体计算模型,采用该模型对复合材料的微观损伤机理进行了仿真研究,分析得到的复合材料微观损伤机理与实验观测结果相吻合。在常温下复合材料的裂纹萌生以基体撕裂和颗粒断裂为主;高温下其裂纹萌生机制以颗粒脱离和基体撕裂为主。

关键词：颗粒增强铝基复合材料微观损伤裂纹萌生仿真

颗粒增强铝基复合材料细观损伤演化特征及最弱环损伤模型

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复合材料学报 2002年第6期19卷 31-36页

作者：程光旭李峰李志军西安交通大学环境与化工学院西安市710049

　研究了颗粒增强铝基复合材料韧性断裂的细观损伤演化特征,提出了细观损伤的最弱环模型,并建立了宏观损伤参数与细观损伤机理之间的联系。分析了颗粒尺寸、体积百分比和热处理状态对损伤演化的影响。研究结果表明:宏观损伤演化可以用... 详细信息

　研究了颗粒增强铝基复合材料韧性断裂的细观损伤演化特征,提出了细观损伤的最弱环模型,并建立了宏观损伤参数与细观损伤机理之间的联系。分析了颗粒尺寸、体积百分比和热处理状态对损伤演化的影响。研究结果表明:宏观损伤演化可以用幂指数形式来表示,细观最弱环模型能够揭示损伤机理,损伤演化模型计算的结果与实验结果吻合较好。

关键词：颗粒增强铝基复合材料细观损伤演化最弱环损伤模型韧性损伤损伤机理

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颗粒增强铝基复合材料废料回收的试验研究

复合材料学报 2001年第1期18卷 67-70页

作者：费良军朱秀荣童文俊王荣徐永东五二研究所宁波分所宁波315041

为了回收铝合金基体材料 ,配制了合适的混合盐熔剂 ,采用熔融盐法去除颗粒增强铝基复合材料中的增强材料。进行了金相观察和 X射线衍射分析 ,并测定基体合金的回收率 ,结果表明复合材料中的增强材料能被一定量的熔融盐去除 ,其回收利用... 详细信息

为了回收铝合金基体材料 ,配制了合适的混合盐熔剂 ,采用熔融盐法去除颗粒增强铝基复合材料中的增强材料。进行了金相观察和 X射线衍射分析 ,并测定基体合金的回收率 ,结果表明复合材料中的增强材料能被一定量的熔融盐去除 ,其回收利用率大约为 85 %

关键词：回收工艺熔融盐颗粒增强铝基复合材料增强材料废料回收再利用

颗粒增强铝基复合材料强化机制的研究现状评述

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材料科学与工程学报 2015年第1期33卷 151-156页

作者：华波朱和国南京理工大学材料科学与工程学院江苏南京210094

颗粒强化机制研究对于复合材料的设计及性能预测具有极其重要的意义,一直是复合材料学领域的研究热点。但相关的系统报道甚少,本文就颗粒增强铝基复合材料的强化机制从直接强化、间接强化与混合强化三个方面展开综述,并指出这些强化机... 详细信息

颗粒强化机制研究对于复合材料的设计及性能预测具有极其重要的意义,一直是复合材料学领域的研究热点。但相关的系统报道甚少,本文就颗粒增强铝基复合材料的强化机制从直接强化、间接强化与混合强化三个方面展开综述,并指出这些强化机制所存在的不足及其发展趋势。

关键词：强化机制颗粒增强铝基复合材料直接强化间接强化混合强化

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颗粒增强铝基复合材料的疲劳研究进展

材料导报 2014年第19期28卷 45-50页

作者：郭立江高云飞王文广刘峰辽宁石油化工大学机械工程学院抚顺113000

对近年来颗粒增强铝基复合材料疲劳性能研究进展进行了总结,介绍了颗粒增强铝基复合材料的强化机制,概括了影响材料疲劳性能的几个重要的因素,从裂纹萌生以及裂纹扩展方面阐述了其疲劳行为及微观失效机制,并提出了未来颗粒增强铝基复合... 详细信息

对近年来颗粒增强铝基复合材料疲劳性能研究进展进行了总结,介绍了颗粒增强铝基复合材料的强化机制,概括了影响材料疲劳性能的几个重要的因素,从裂纹萌生以及裂纹扩展方面阐述了其疲劳行为及微观失效机制,并提出了未来颗粒增强铝基复合材料的研究趋势。

关键词：颗粒增强铝基复合材料疲劳疲劳裂纹萌生和扩展

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颗粒增强铝基复合材料界面性能的研究

材料导报 2015年第9期29卷 34-43,49页

作者：孔亚茹郭强张荻上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200240

颗粒增强铝基复合材料具有较好的比刚度、比强度、抗疲劳、耐热耐磨和辐射屏蔽等优点,广泛应用于航空航天、军工、电子和汽车等领域。在这类材料中,基体-增强体界面的结构与性能对复合材料宏观性能影响显著。综述了颗粒增强铝基复合材... 详细信息

颗粒增强铝基复合材料具有较好的比刚度、比强度、抗疲劳、耐热耐磨和辐射屏蔽等优点,广泛应用于航空航天、军工、电子和汽车等领域。在这类材料中,基体-增强体界面的结构与性能对复合材料宏观性能影响显著。综述了颗粒增强铝基复合材料主要的制备方法和应用现状,特别聚焦于界面的结构及其对复合材料宏观性能的影响方式与机制,同时指出了复合材料制备过程中各种因素对材料界面性质的影响。最后,展望了颗粒增强铝基复合材料界面性能研究的发展前景,指出可采用先进的微纳米尺度的测量技术,结合显微结构表征的方法,系统地研究界面性能与结构之间的关系。

关键词：颗粒增强铝基复合材料制备方法界面结合性能