金屬基復合材料循環(huán)響應和疲勞破壞的理論和模擬.pdf

1、纖維增強金屬基復合材料(MMCf)是以金屬或者合金為基體，以不同材料的纖維為增強相的復合材料，其特點在于有一個連續(xù)的金屬或者合金基體，其它組元相則是均勻地分布在基體中。作為一種非均勻和各向異性材料，它具有傳統(tǒng)單一材料不可具備的優(yōu)越性能，在諸如先進渦輪發(fā)動機和超音速飛行器等航空結構中的應用具有令人鼓舞的前景。這些結構要求承受非常復雜的熱/機械循環(huán)載荷。為了這類MMCf結構的安全設計和有效使用，一個非常緊迫的任務是要深刻地認識MMCf的熱機

2、械靜力與疲勞漸進破壞過程的細觀機理以及發(fā)展熱機械強度和疲勞破壞分析的理論方法。 復合材料的破壞過程，從本質上講是損傷不斷累積，材料性質不斷退化，應力重新分布的動態(tài)過程。本文基于剪切滯后模型和影響函數(shù)疊加的方法，考慮纖維和基體同時承受軸向拉伸載荷，纖維和基體之間的應力通過兩者之間的剪切層來傳遞，剪切層以剪應力為主，基體采用理想彈塑性模型。針對MMCf在裂紋和界面附近可能產(chǎn)生局部循環(huán)熱塑性變形及其誘導的纖維/基體脫粘(debondi

3、ng)的特點，提出了纖維斷裂伴隨局部基體拉伸屈服、局部界面剪切屈服以及界面脫粘的細觀破壞力學模型。將每一根纖維斷裂及其相伴的基體屈服、界面屈服以及界面脫粘稱為一個損傷實體，將多損傷實體相互作用的復雜問題轉化為多個單纖維斷裂與單基體斷裂問題，從而發(fā)展了一套包含纖維的統(tǒng)計強度分布、基體的拉伸屈服特性、纖維和基體界面局部循環(huán)熱塑性以及纖維/基體脫粘的多纖維斷裂誘導應力與變形重分配的近似應力分析方法。研究證明：斷裂纖維引起的應力擾動具有明顯的局

4、部化。因此本文取簡化的有限根纖維模型進行了研究，即：將應力場的控制微分方程建立在僅受纖維斷裂和基體斷裂影響的有限區(qū)域之內(nèi)。通過對在熱/機械載荷作用下，金屬基復合材料在多重損傷模式下應力響應特征的分析，發(fā)現(xiàn)材料的應力分布對機械載荷和溫度的變化相當敏感，原因之一在于金屬基體的屈服極限隨著溫度升高而快速地降低。實驗結果進一步表明：即使對于處理非彈性這種復雜的破壞問題，這套發(fā)展的影響函數(shù)疊加方法仍然是可行的，它能夠充分地考慮到破壞過程中缺陷之間

5、的相互影響，同時保證簡化后的問題經(jīng)過加權疊加最終是同原問題等價的。 復合材料的靜力拉伸破壞過程表現(xiàn)為一種漸進的損傷過程：在加載的初始階段，由于缺陷的存在，部分纖維會首先發(fā)生斷裂，在纖維斷裂附近的基體以及基體和纖維的界面會產(chǎn)生局部熱塑性變形，細觀應力變形重分配，伴隨更多的纖維破壞及局部塑性，大量纖維的失穩(wěn)破壞亦即復合材料的最終破壞。因此，在所建立的多重損傷實體細觀力學模型及其應力分析方法的基礎上，本文假設纖維的拉伸強度服從Weib

6、ull分布，同時考慮纖維斷裂、基體拉伸屈服、界面剪切屈服和基體與界面同時發(fā)生塑性變形四種損傷模式，提出了一個能夠較好地模擬復合材料在拉伸條件下?lián)p傷演化過程的Monte-Carlo二維模型，得到了材料的宏觀應力-應變曲線，研究發(fā)現(xiàn)復合材料在熱機械載荷條件下的最終拉伸強度不僅與復合材料的尺寸大小有關，而且取決于纖維強度分布的統(tǒng)計性質及其應力分布狀況。 另一方面，也分析了采用Weak-link原理能對不同尺寸復合材料的拉伸強度分布規(guī)律

7、進行預測的適應范圍，可以認為只有在一定的尺寸范圍內(nèi)，Weak-link原理才是適用的，而且還與纖維強度分布中的形狀參數(shù)等有關。對復合材料靜強度的研究，有助于從細觀的破壞機理上理解和認識拉伸破壞過程，為進一步發(fā)展基于破壞機理分析的疲勞壽命預測理論奠定了基礎。對于高應變、短壽命的復合材料熱/機械疲勞，對應的主要細觀破壞機理是纖維斷裂。由于纖維拉伸強度的隨機特性，在第一個循環(huán)載荷峰值點，部分纖維發(fā)生斷裂，導致纖維斷裂附近基體和基體/纖維界面產(chǎn)

8、生局部循環(huán)熱塑性變形，循環(huán)塑性引起基體/纖維界面脫粘，細觀應力變形重分配。隨著循環(huán)的增加，更多的纖維斷裂及伴隨的局部塑性和debonding，直至復合材料斷裂破壞。這一區(qū)段的疲勞破壞特點是：破壞過程是漸進的、壽命具有隨機性且對載荷大小非常敏感。 本文從纖維增強金屬基復合材料熱/機械疲勞漸進破壞過程機理的分析出發(fā)，利用所建立的多纖維斷裂誘導應力與變形重分配的細觀損傷力學模型，考慮金屬基體在熱/機械載荷條件下循環(huán)響應的特征，引入一個

9、循環(huán)周期內(nèi)基體的塑性剪切應變的變化幅值作為判斷纖維與基體發(fā)生脫粘的重要參數(shù)，發(fā)展了纖維斷裂、局部基體拉伸循環(huán)塑性、局部界面剪切循環(huán)塑性以及基體/纖維脫粘等細觀破壞模式控制的疲勞破壞分析模型，建立了一套能夠預測復合材料熱/機械疲勞壽命的理論體系和方法。通過采用Monte-Carlo方法較好地模擬了復合材料的熱機械疲勞損傷演化過程，揭示了不同熱機械載荷水平與疲勞破壞的細觀機制之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結果反映：在不同熱機械載荷水平作用下，材料的細

10、觀破壞模式是不一致的，因而使得解釋和預測同相(in-phase)熱機械疲勞(TMF)的S-N曲線與反相(out-of-phase)TMF的S-N曲線發(fā)生交叉成為可能，即高應變TMF加載時，同相TMF壽命比反向TMF壽命低，而在應變幅較低時，同相TMF壽命比反向TMF壽命高。同時，還研究了試件大小、纖維體積分數(shù)等細觀結構參數(shù)對熱機械疲勞壽命的影響，將熱機械疲勞壽命S-N曲線與基體循環(huán)熱塑性、體積分數(shù)、纖維統(tǒng)計強度以及纖維/基體界面特性定量

11、地聯(lián)系起來。 纖維增強金屬基復合材料熱/機械變形與破壞的研究一直是國際固體力學和材料科學領域眾多學者關注的熱點，是一個非常具有挑戰(zhàn)性的課題。其特點亦即難點在于如何概括某些對宏觀力學行為起敏感作用的細觀和微觀因素，以及這些因素的演化，從而使得非均勻材料的強化、韌化以及破壞分析立足于科學的認識之上。本論文從纖維增強金屬基復合材料熱機械靜力和疲勞漸進破壞過程機理的分析出發(fā)，發(fā)展了一種熱/機械強度和疲勞破壞分析的理論方法。模型的最大特點