颗粒增强金属基复合材料氢致变形行为的数值模拟

发布时间：2020-08-24 08:56

【摘要】：氢是在自然界最小、最轻的原子,它广泛存在自然界中。环境中存在的氢可以通过在材料表面的物理吸附、化学吸附、溶解或扩散等过程进入材料内部。作为最小的原子,一旦进入材料后,氢就会在材料中快速扩散;与此同时,氢还会被材料中的各种缺陷捕捉或者偏析在它们附近。被材料中各种缺陷捕捉或偏析在它们附近的氢,不仅会显著地影响材料的塑性变形行为,还会显著地影响材料的断裂强度,导致材料过早地发生氢脆断裂。氢致材料失效现象虽在工程中广泛存在,但对其内在物理机理的认识和定量描述还不够深入,它涉及材料科学和固体力学的交叉前沿,是一个典型的多尺度、多场耦合科学问题。颗粒增强金属基复合材料是一种性能优良的先进复合材料,在工程中有越来越多的应用。该材料的优良性能来自于颗粒相和基体相的有效协同,颗粒与基体之间的界面强度是控制其性能的关键。一旦进入颗粒增强金属基复合材料后,氢会在颗粒-基体界面处偏析并显著地降低界面粘接性能,导致颗粒复合材料整体性能下降。因此,研究颗粒增强金属基复合材料中氢的扩散以及氢在界面附近的分布对刻画颗粒增强金属基复合材料的力学性能、界面开裂行为有重要理论意义和潜在的工程应用价值。本文的主要工作有:1、氢扩散-应力场耦合算法及其在ABAQUS软件中的实现。氢的扩散不仅与氢的浓度有关,还与静水应力场的分布有关,涉及氢浓度场与应力应变场的耦合。为此,首先,通过ABAQUS的UMAT子程序计算金属基体和颗粒的力学行为;然后,基于氢扩散方程与热传导方程的相似性,采用热比拟法,通过ABAQUS的UMATHT子程序计算氢的浓度分布;通过二次开发,在ABAQUS框架下实现了应力、应变场和氢扩散之间的耦合求解。2、通过氢扩散-应力场耦合计算模拟,研究了颗粒体积分数、颗粒取向等对氢在金属基体中的分布的影响。主要考虑了两种情形:即氢不影响基体材料力学行为及氢影响基体材料力学行为。通过对比分析,研究了这两种情形下,颗粒体积分数、颗粒取向等细观结构特征对氢在基体中的分布及其对颗粒增加金属基复合材料宏细观力学行为的影响。本文所得结果对认识颗粒增强金属基复合材料的氢致变形行为及其失效机理有一定参考价值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333
【图文】：

流程图,氢扩散,耦合计算,流程图

图 2-1 氢扩散耦合计算流程图2.5 本章小结本章首先介绍了氢扩散模型及其相关理论。化学势梯度和静水应力梯度是氢扩散的主要驱动力。金属中通常存在两种类型的氢，即间隙氢和陷阱氢。氢通量主要受间隙氢浓度和静水应力梯度的影响。Oriani[8]的平衡理论表明，陷阱位置与间隙位置(NILS)中的氢粒子分布在静态和瞬态期间保持平衡。塑性应变对陷阱氢浓度有影响，陷阱密度随着塑性应变的增加而增加。由 Fick 定律，质量守恒定律以及Oriani的平衡理论等最终得到氢扩散方程，该方程与氢的浓度梯度和静水应力梯度有关。此外，还介绍了应力三轴度对材料的断裂行为的影响，用应力三轴度来衡量材料界面断裂行为，认为在应力三轴度最大的地方容易开裂。给出了基体和椭圆颗粒

单颗粒模型

(a)竖向 (b)横向图 3-1 单颗粒模型由于本文涉及的模型较多，考虑到大型商业有限元 ANSYS 软件强大的参数化计语言(APDL，即 ANSYS Parametric Design Language)及 ABQAUS 软件丰富的单库、众多的用户子程序接口和强大的几何非线性计算能力，本文使用 ANSYS 软来前处理，建立模型，生成相关信息文件，最后导入到 ABAQUS 软件进行相关算和后处理。3.2 ANSYS 相关模块.2.1 ANSYS 前处理方法在 ANSYS 中进行前处理主要分为三个步骤：1.在 ANSYS 中建立相应的几何模型，并划分网格；

有限元模型,模型,单元集合

V ) (b)单颗粒(横向, )图 3-2 模型有限元模型(ANSYS)图3-2为颗粒体积分数为 0.15的有限元模型，对于其他两种体积分数的模型，只需修改体积分数，再适当调整网格即可得到。由于实行参数化建模，上述操作非常简单，这里不再一一缀叙。2. 定义组件,生成相应 inp 文件由于本文需要ABAQUS来做后处理，故需要找到由ANSYS模型得到ABAQUS所需 inp 文件的方法。ABAQUS 的 inp 文件主要由两部分组成，第一部分主要为节点坐标、节点编号、所需要的节点集合、单元集合等；第二部分为利用第一部分的节点与单元集合来设置材料属性、模型的荷载等边界条件，确定荷载步、求解以及输出控制(场输出和历程输出等)等。这里第二部分可以按照 inp 所需的格式手写即可完成，但第一部分相对来说不好实现(尤其当模型复杂时

【参考文献】