新型颗粒增强金属玻璃复合材料的拉伸增韧机制

来源:未知 作者:35kv干式变压器型号 时间:2020-05-29 12:42 点击量:

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文章《新型颗粒增加金属玻璃复合材料的拉伸增韧机制》利用有限元方法探讨了颗粒体积分数、颗粒应变硬化指数、颗粒间距和网络结构对新型非晶合金复合材料即金属玻璃基复合材料的强度和韧性的影响。以上作品的作者是河海大学力学与材料学院的邱昆,通信作者是南京航空航天大学航空航天学院的蒋。

金属玻璃是在合金熔体快速冷却的前提下形成的一种新型亚稳态材料。它呈带状、丝状和块状,具有广阔的应用前景。

金属玻璃的内部原子接近长程无序和短程有序。位错和晶界等缺陷的不存在决定了金属玻璃具有优异的功能,如高强度、高硬度和高弹性极限。然而,在室温下,它呈现非平均变形,塑性变形被限制在非常窄的剪切带中,这限制了它的实际应用。

作者利用自由体积模型编制了材料子程序,同时建立了具有代表性的体积单元模型,分析了颗粒对镁合金的影响机理,以及颗粒体积分数、颗粒应变硬化指数、颗粒间距和网络布局对镁合金拉伸塑性的影响。

1.竞赛模型

1.1金属玻璃基体的本构方程

金属玻璃的基本变形机制是剪切带的形成和演化。剪切带的形成与局部构造序列的演化有关,是应变软化导致局部变形的结果。为了使本构关系具有捕捉剪切带的能力,自由体积模型引入自由体积作为状态变量。该模型假设纯剪切环境中的宏观塑性流动是在外加应力作用下净原子的转变。

金属玻璃的塑性流动方程如下:

在外部应力的情况下,应力驱动的自由体积和构造松弛湮没自由体积相互竞争来重新排列结构。纯自由体积增加如下:

在多轴应力条件下,自由体积的演化方程为:

在上述自由体积模型中,剪切带演化被计为内部条件变量,即方程中给出的标度自由体积Vf。自由体积场的演化很大程度上取决于原始应力状态和当时的自由体积场。

1.2颗粒的本构方程

具有满意颗粒的J2塑性流动理论如下:

2.有限元争议模型

为了用有限元方法揭示复合材料的微观机理,建立了描述复合材料宏观力学性能的代表性体积元模型。

图1:颗粒体积分数为30的镁碳的RVE模型

从质量的角度来看,MGCs包含硬的和软的不均匀区域,这将导致剪切变化区域的会聚和随后剪切带的形成和扩展。

3.成就回顾

3.1发散粒子的体积分数对镁碳的影响

图2:不同颗粒体积分数的镁碳材料的应力-应变曲线

从图2可以看出,随着体积分数的增加,复合材料的塑性增加,但部门强度被牺牲。

图3:具有均匀颗粒尺寸和不同颗粒体积含量的氧化镁的应力-应变曲线

从图3可以看出,复合材料的塑性随着颗粒体积分数的增加而增加。

图4:在4:MGCs中具有12.75和25.5颗粒体积分数的剪切带云图

从图4可以看出,当体积分数为25.5时,主剪切带在颗粒周围延伸,同时穿过颗粒,使得基体的应力下降缓慢,塑性增强。同时,与体积分数为12.75时相比,枝状层状二次剪切带和剪切带在开始时被传递,从而获得更多的变形能,提高韧性。

3.2分散颗粒间距对镁碳的影响

图5:在5:MGCs中不同颗粒间距的应力-应变关系

通过改变颗粒大小可以获得不同的距离。从图中可以看出,随着颗粒间距的减小,即颗粒数量的增加,复合材料的强度没有显著变化,但塑性显著增加。

3.3发散硬化指数对镁合金的影响

图6:应力应变环

然而,在硬化指数从N=0.1至N=0.3的过程中,从图6至图6可以看出,存在一种交流规律,即,当硬化指数高时,塑性应变增加并且大应力强度增加。

3.4发散微结构对镁碳的影响

从粒子间距的变化来看,复合估计中高体积分数粒子将排列成类似丝瓜状的网络结构或直接插入该网络结构,增韧效果可能更好。

图7:7:颗粒分叉布局下镁碳的应力-应变关系

可以看出,与网格布局垂直布置的结构相比,复合材料的强度不仅提高,弹性模量也增加,塑性大大增强。从图7~的变化过程可以看出,随着载荷的增加,网状结构几乎平均变形,直到后自由体积含量达到饱和,结构被压碎。弹性比提高,接收变形能力提高,韧性增加。

4.结论

随着颗粒体积分数的增加,金属玻璃复合材料的塑性增加,但部门强度被牺牲。特别是当体积分数达到45时,材料的塑性大大提高。

随着颗粒间距的减小,镁合金的强度变化不大,但塑性增加。

随着颗粒硬化指数从0.1增加到0.3,镁碳砖的塑性和强度得到改善。主要原因是高强度粒子双重有效地阻碍剪切带的快速膨胀。

如果颗粒结构可以被相同材料的网状结构代替,可以发现网状结构更能引起复合材料的平均变形,从而增加复合材料的强度和韧性。

新型颗粒增强金属玻璃复合材料的拉伸增韧机制

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