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梯度复合材料裂纹扩展路径和起裂载荷的有限元分析

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复合材料学报 2015年第4期32卷 1099-1106页

作者：吕毅许希武郭树祥南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷,通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场,并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应... 详细信息

为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷,通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场,并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应力强度因子(SIF),采用最大周向应力准则编写子程序计算裂纹的偏转角,并模拟了裂纹扩展路径,计算了裂纹的起裂载荷。讨论了材料梯度参数对裂纹扩展路径以及起裂载荷的影响规律。通过与均匀材料的对比,验证了功能梯度材料断裂性能的优越性。研究表明:外载平行于梯度方向时,垂直梯度方向的初始裂纹朝着等效弹性模量小的方向扩展,且偏转角在梯度指数线性时出现峰值,并随着组分弹性模量比的增加而变大;当外载和初始裂纹均平行于梯度方向时,材料等效弹性模量和断裂韧性的增加或者梯度指数的减小都导致起裂载荷变大。

关键词：梯度复合材料最大周向应力准则交互能量积分裂纹扩展路径起裂载荷

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梯度复合材料热传导分析的梯度单元法

复合材料学报 2012年第4期29卷 178-185页

作者：陈康许希武机械结构力学及控制国家重点实验室南京航空航天大学结构与强度研究所南京210016

给出了一种适用于梯度复合材料热传导分析的梯度单元,采用细观力学方法描述材料变化的热物理属性,通过线性插值和高阶插值温度场分别给出了4节点和8节点梯度单元随空间位置变化的热传导刚度矩阵。推导了在温度梯度载荷和热流密度载荷作... 详细信息

给出了一种适用于梯度复合材料热传导分析的梯度单元,采用细观力学方法描述材料变化的热物理属性,通过线性插值和高阶插值温度场分别给出了4节点和8节点梯度单元随空间位置变化的热传导刚度矩阵。推导了在温度梯度载荷和热流密度载荷作用下,矩形梯度板的稳态温度场和热通量场精确解。基于该精确解对比了连续梯度模型和传统的离散梯度模型的热传导有限元计算结果,验证了梯度单元的有效性,并讨论了相关参数对梯度单元的影响。结果表明,梯度单元和均匀单元得到的温度场基本一致;当热载荷垂直于材料梯度方向时,梯度单元能够给出更加精确的局部热通量场;当热载荷平行于材料梯度方向时,4节点梯度单元性能恶化,8节点梯度单元和均匀单元的计算结果与精确解吻合很好。

关键词：梯度单元热传导分析梯度复合材料有限元方法细观力学

初晶Si与Mg_2Si颗粒互补增强Al基梯度复合材料的离心成形机制（英文）

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稀有金属材料与工程 2014年第4期43卷 769-774页

作者：翟彦博马秀腾梅镇西南大学重庆400715 重庆机床(集团)有限责任公司重庆400055

为了克服单一初晶Si或Mg2Si颗粒增强的铝基复合材料的不足,采用离心铸造的方法制备了一种由初晶Si与Mg2Si两种颗粒互补增强的铝基梯度复合材料。这种复合材料的组织与性能具有明显的梯度分布特征:内层含有高体积分数的初晶Si与Mg2Si颗粒... 详细信息

为了克服单一初晶Si或Mg2Si颗粒增强的铝基复合材料的不足,采用离心铸造的方法制备了一种由初晶Si与Mg2Si两种颗粒互补增强的铝基梯度复合材料。这种复合材料的组织与性能具有明显的梯度分布特征:内层含有高体积分数的初晶Si与Mg2Si颗粒,形成互补增强区域,具有高硬度的特点;外层没有或含有极少量初晶颗粒,形成非增强区域,具有硬度低的特点。对该复合材料的离心成形机制探讨发现,大量细小的初晶Mg2Si颗粒是形成这种梯度复合材料的关键因素。在离心力场中,密度更小的初晶Mg2Si颗粒具有比初晶Si颗粒大得多的向心运动速度,在运动过程中它与初晶Si发生碰撞并推动后者一起快速运动,最终导致二者在内层的剧烈偏聚。此外,为了获得足够的初晶Mg2Si颗粒,在三元Al-Si-Mg合金中,Si的质量分数应不低于19%,Mg的质量分数应不低于4%。

关键词：梯度复合材料颗粒增强复合材料初晶Si 初晶Mg2Si 离心铸造

超重力场反应连接制备TiB2-TiC/1Cr18Ni9Ti和TiB2-TiC/Ti-6Al-4V梯度复合材料

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复合材料学报 2015年第6期32卷 1824-1834页

作者：尹德军赵忠民张龙宋义刚军械工程学院车辆与电气工程系机械制造教研室石家庄050003

以1Cr18Ni9Ti、Ti-6Al-4V为金属基底,通过在B4C+Ti体系中引入CrO_3+Al铝热剂,调整反应体系绝热温度依次为3 193、3 282、3 290及3 473K,采用超重力场反应连接制备TiB_2-TiC/1Cr18Ni9Ti和TiB_2-TiC/Ti-6Al-4V梯度复合材料,发现随着反应绝热温度升高,陶瓷/金属界面区厚度不仅因金属熔深增加而增大,并且残存于界面上的Al_2O_3夹杂也随之增多。分别对B4C+Al体系与CrO_3+Al铝热剂进行配制、球磨活化、压制成坯并依次填料入坩埚后,发现残存于界面上的Al_2O_3夹杂完全消除,同时发现在TiB_2-TiC/1Cr18Ni9Ti界面上生成三维网络陶瓷/金属梯度复合结构,而在TiB_2-TiC/Ti-6Al-4V界面上形成跨尺度多层次梯度复合结构。

关键词：梯度复合材料超重力场反应连接缺陷控制界面结构

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梯度复合材料热应力有限元分析

热加工工艺 2012年第4期41卷 106-109页

作者：范世通汤海波张述泉王华明北京航空航天大学材料科学与工程学院大型整体金属构件激光直接制造教育部工程研究中心北京100191

建立了11个由不同长径比(1～30)单向增强相增强梯度复合材料物理模型,采用ANSYS有限元分析方法研究了增强相形态对梯度复合材料最大热应力的影响及热应力的分布。结果表明,增强相形态对梯度复合材料的热应力有重要影响,最大热应力值随... 详细信息

建立了11个由不同长径比(1～30)单向增强相增强梯度复合材料物理模型,采用ANSYS有限元分析方法研究了增强相形态对梯度复合材料最大热应力的影响及热应力的分布。结果表明,增强相形态对梯度复合材料的热应力有重要影响,最大热应力值随增强相长径比的减小而减小。当长径比小于9时,最大热应力显著降低,且热应力主要分布在中间梯度层。

关键词：梯度复合材料热应力长径比有限元

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高频磁场下制备颗粒增强铝基梯度复合材料

铸造 2011年第6期60卷 549-553页

作者：曹志强陈飞王同敏李鹏超李廷举大连理工大学铸造工程研究中心辽宁大连116024

通过向Al-20%Mg2Si-5%Si母合金中加入10%SiO2颗粒,制得颗粒增强复合材料Al-14.9%Mg2Si-10.3%Si-11.8%MgAl2O4,然后重熔母合金和复合材料,利用高频磁场的电磁相分离法分别成功制备了Al-20%Mg2Si-5%Si(样品1)和Al-14.9%Mg2Si-10.3%Si-11.8%MgAl2O4(样品2)两种颗粒增强梯度复合材料。发现加入的SiO2与铝熔体中的铝镁反应形成了MgAl2O4,并通过电子探针证实了该相的存在,除此之外,初生的Mg2Si、Si也富集于试样表面。在此基础上,对两种合金沿径向进行了硬度测量,结果表明:硬度在径向呈梯度分布,满足梯度复合材料外硬内韧的性能特征。

关键词：高频磁场电磁分离梯度复合材料

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W–Cu梯度复合材料的制备、组织与性能

粉末冶金技术 2024年第3期42卷 283-289页

作者：冯晓伟司岸恒冯波李达人广东省科学院新材料研究所广东省金属强韧化技术与应用重点实验室广州510650 河南科技大学金属材料磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心洛阳471003 哈特三维(中山)金属材料有限公司中山528403

采用不同配比的W粉和Cu粉为原料,经过混粉、放电等离子烧结后制备了三层的W–Cu梯度复合材料,研究了不同烧结温度下W–Cu梯度复合材料的微观组织、界面特征、物理性能、力学性能及抗热震性能。结果表明:900℃烧结制备W–Cu梯度复合材料... 详细信息

采用不同配比的W粉和Cu粉为原料,经过混粉、放电等离子烧结后制备了三层的W–Cu梯度复合材料,研究了不同烧结温度下W–Cu梯度复合材料的微观组织、界面特征、物理性能、力学性能及抗热震性能。结果表明:900℃烧结制备W–Cu梯度复合材料相对密度高(95%)且保持了单层的原始设计成分;每个梯度层中W、Cu分布较均匀,W、Cu之间界面结合良好,未发生扩散。W–Cu梯度复合材料的力学性能呈梯度分布,W–40Cu层的显微硬度最高为HV 136。在压缩过程中,W–40Cu层首先发生断裂,最高压缩屈服强度为332 MPa。900℃烧结制备的W–Cu梯度复合材料的热导率为202 W·m^(-1)·K^(-1)。经抗热震实验后,梯度复合材料界面处无裂纹,具有良好的抗热震性能。

关键词：梯度复合材料放电等离子烧结微观组织界面特征力学性能

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高频磁场下制备铝基表面增强梯度复合材料

特种铸造及有色合金 2008年第3期28卷 242-244页

作者：刘红才曹志强张红亮刘吉东大连理工大学材料科学与工程学院

通过向Al-15Mg2Si合金中加SiO2颗粒,利用高频磁场的电磁相分离法成功制备了Al-15Mg2Si和Al/15Mg2Si/Al2O3两种梯度复合材料。分析了两种复合材料的微观组织,讨论了加入SiO2颗粒对微观组织和力学性能的影响,并对两种合金沿径向进行了硬... 详细信息

通过向Al-15Mg2Si合金中加SiO2颗粒,利用高频磁场的电磁相分离法成功制备了Al-15Mg2Si和Al/15Mg2Si/Al2O3两种梯度复合材料。分析了两种复合材料的微观组织,讨论了加入SiO2颗粒对微观组织和力学性能的影响,并对两种合金沿径向进行了硬度测量,结果表明,硬度在径向呈梯度分布,满足梯度复合材料外硬内韧的性能特征。

关键词：高频磁场电磁分离 Al-Mg2Si过共晶合金梯度复合材料

SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料拉伸力学性能及其评价

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复合材料学报 2003年第4期20卷 23-28页

作者：郭成郭生武程羽张新功史东才西安交通大学机械工程学院西安710049

　对SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料的拉伸力学性能进行了研究。提出了一种新的材料力学性能评价指标——梯度系数Kx。理论研究表明,金属基梯度复合材料(MMGC)各组分性能的差异使其在拉伸变形时产生了三轴应力。实验及断口分析表明,... 详细信息

　对SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料的拉伸力学性能进行了研究。提出了一种新的材料力学性能评价指标——梯度系数Kx。理论研究表明,金属基梯度复合材料(MMGC)各组分性能的差异使其在拉伸变形时产生了三轴应力。实验及断口分析表明,由拉伸试验获得的材料平均力学性能指标弹性模量E和屈服强度σ0.2近似符合ROM法则;此类材料的拉伸力学性能受SiC颗粒梯度分布方式的影响。外层为基体,芯部为高SiC含量的材料拉伸断口具有韧性断裂特征,能发挥其性能优势。反之,断口表现出脆性断裂特征,降低了材料的力学性能;受多种因素影响,裂纹穿过层间界面时,会引起断裂方式和扩展方向的改变。当梯度层间SiC颗粒体积分数相差较大时,材料会产生分层开裂;梯度系数Kσb和Kδ可反映材料的梯度分布方式和性能的优劣程度,梯度系数KE则反映了材料性能的稳定性程度。

关键词：梯度复合材料拉伸力学性能性能评价