横向压缩载荷下CF/Al复合材料微观损伤演化与断裂力学行为
发布时间：2021-08-22 01:14
针对真空压力浸渗制备的单向碳纤维增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,采用细观力学数值模拟和实验相结合的手段研究了其在横向压缩载荷下的损伤演化与断裂力学行为,并分析了界面结合性能和纤维体积分数对复合材料横向压缩力学性能的影响。结果表明:基于纤维对角正方形分布RVE建立的细观力学有限元模型,可以较好地计算预测复合材料横向压缩变形力学行为。压缩变形初期界面首先发生损伤和失效现象,进而诱发界面附近基体合金的局部损伤;随压缩应变增加,界面和基体损伤逐渐发展并导致纤维的失效,复合材料横向压缩断口呈现出界面脱粘和纤维断裂共存的微观形貌。复合材料横向压缩弹性模量和极限强度随着界面强度增大而增大,而受界面刚度的影响较小;在相同界面性能条件下,复合材料横向压缩极限强度和弹性模量均随纤维体积分数的增大而减小。
【文章来源】：中国有色金属学报. 2020,30(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
封装后的纤维预制体Fig.1Packagedfiberpreform
第30卷第5期杨思远，等：横向压缩载荷下CF/Al复合材料微观损伤演化与断裂力学行为987图2CF/Al复合材料横向压缩试样及其尺寸Fig.2AppearanceanddimensionofCF/Alcompositespecimenfortransversecompression:(a)Specimensize;(b)Specimenappearance2细观力学有限元模型2.1RVE模型图3(a)所示为纤维体积分数55%的CF/Al复合材料在垂直于纤维的横向截面内的显微组织，可以看出纤维均匀分布于基体合金中，无纤维偏聚现象。为便于建立反映其显微组织特征的细观模型，根据图3(a)中纤维分布特点对其进行合理的简化，假设基体合金中纤维分布均匀且具有对角正方形或正六边形周期性特征，如图3(b)和(d)所示。取图3(b)和(d)中红色矩形框的区域建立代表性体积单元(RVE)，如图3(c)和(e)所示。RVE模型中碳纤维的直径为6μm，在纤维体积分数为55%的条件下，纤维正六边形分布的RVE模型长度Lc为13.3μm，宽度Wc为7.7μm；纤维对角正方图3CF/Al复合材料微观组织与纤维分布特征及其RVE模型Fig.3MicrostructureofCF/Alcomposite,fiberarrangementsandcorrespondingRVEmodels:(a)MicrostructureofCF/Alcomposites(SEM);(b)Fiberregularhexagonaldistribution;(c)RVEoffiberregularhexagonaldistribution;(d)Fiberdiagonalsquaredistribution;(e)RVEoffiberdiagonalsquaredistribution
plplffuLDuu(7)plplffuL(8)式中：plu为损伤开始后等效塑性位移；plfu为完全失效等效塑性位移;L为单元网格特征长度；pl为等效塑性应变；plf为完全失效等效塑性应变。2.4界面对于纤维与基体之间的界面，本文采用零厚度内聚力单元描述其损伤与失效行为，并采用牵引力分离(Tractionseparation)双线性法则来定义内聚力单元的损伤演化本构关系，并借此描述复合材料承载时纤维/基体界面的损伤与失效行为。牵引力分离双线性法则模型如图6所示[32]。图6界面损伤行为的牵引力分离双线性法则Fig.6Bilineartractionseparationruleforinterfacialdamagebehavior在牵引力分离损伤模型中，采用最大名义应力准则来判断界面的初始损伤：
【参考文献】：
期刊论文
[1]CF/Al复合材料横向拉伸渐进损伤与弹塑性力学行为[J]. 王振军,田亮,蔡长春,余欢,徐志锋,Gui WANG,Matthew S.DARGUSCH. 中国有色金属学报. 2019(03)
[2]织物结构对2.5D-Cf/Al复合材料微观组织与力学性能的影响[J]. 胡银生,余欢,王振军,徐志锋,董敬涛. 中国有色金属学报. 2018(12)
[3]预热温度对Cf/Al复合材料微观组织及室温与高温力学性能的影响[J]. 王振军,朱世学,余欢,徐志锋,陈新文. 稀有金属材料与工程. 2018(03)
[4]深冷处理对连续Cf/ZL301复合材料拉伸强度与残余应力的影响[J]. 聂明明,徐志锋,余欢,蔡长春,王振军. 中国有色金属学报. 2017(09)
[5]基于细观有限元方法的复合材料横向力学性能分析[J]. 刘万雷,常新龙,张晓军,张磊. 材料工程. 2016(11)
[6]超声辅助热压制备Cf/Al复合板界面及性能研究[J]. 李明,王红霞,周斌,张少雄,李刚,梁伟. 哈尔滨工程大学学报. 2017(02)
[7]编织结构对3D-Cf/Al复合材料显微组织与力学性能的影响[J]. 周珍珍,徐志锋,余欢,王振军. 中国有色金属学报. 2016(04)
[8]基体合金对连续M40石墨纤维/Al复合材料纤维损伤及断裂机制的影响[J]. 聂明明,徐志锋,余欢,王振军,姚菁. 复合材料学报. 2016(12)
[9]Micromechanical Analysis of Interfacial Debonding in Metal Matrix Composites Subjected to off-axis Loading[J]. Xiaojun Zhu,Xuefeng Chen,Zhi Zhai,Qiang Chen,Shaohua Tian,Zhengjia He. 纤维复合材料. 2013(03)
[10]内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析[J]. 周储伟,杨卫,方岱宁. 力学学报. 1999(03)
硕士论文
[1]单向复合材料界面对其力学性能影响的研究[D]. 潘自民.哈尔滨工业大学 2010
[2]单向纤维增强复合材料的数值模拟研究[D]. 罗智.中国科学技术大学 2010
本文编号：3356702
【文章来源】：中国有色金属学报. 2020,30(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
封装后的纤维预制体Fig.1Packagedfiberpreform
第30卷第5期杨思远，等：横向压缩载荷下CF/Al复合材料微观损伤演化与断裂力学行为987图2CF/Al复合材料横向压缩试样及其尺寸Fig.2AppearanceanddimensionofCF/Alcompositespecimenfortransversecompression:(a)Specimensize;(b)Specimenappearance2细观力学有限元模型2.1RVE模型图3(a)所示为纤维体积分数55%的CF/Al复合材料在垂直于纤维的横向截面内的显微组织，可以看出纤维均匀分布于基体合金中，无纤维偏聚现象。为便于建立反映其显微组织特征的细观模型，根据图3(a)中纤维分布特点对其进行合理的简化，假设基体合金中纤维分布均匀且具有对角正方形或正六边形周期性特征，如图3(b)和(d)所示。取图3(b)和(d)中红色矩形框的区域建立代表性体积单元(RVE)，如图3(c)和(e)所示。RVE模型中碳纤维的直径为6μm，在纤维体积分数为55%的条件下，纤维正六边形分布的RVE模型长度Lc为13.3μm，宽度Wc为7.7μm；纤维对角正方图3CF/Al复合材料微观组织与纤维分布特征及其RVE模型Fig.3MicrostructureofCF/Alcomposite,fiberarrangementsandcorrespondingRVEmodels:(a)MicrostructureofCF/Alcomposites(SEM);(b)Fiberregularhexagonaldistribution;(c)RVEoffiberregularhexagonaldistribution;(d)Fiberdiagonalsquaredistribution;(e)RVEoffiberdiagonalsquaredistribution
plplffuLDuu(7)plplffuL(8)式中：plu为损伤开始后等效塑性位移；plfu为完全失效等效塑性位移;L为单元网格特征长度；pl为等效塑性应变；plf为完全失效等效塑性应变。2.4界面对于纤维与基体之间的界面，本文采用零厚度内聚力单元描述其损伤与失效行为，并采用牵引力分离(Tractionseparation)双线性法则来定义内聚力单元的损伤演化本构关系，并借此描述复合材料承载时纤维/基体界面的损伤与失效行为。牵引力分离双线性法则模型如图6所示[32]。图6界面损伤行为的牵引力分离双线性法则Fig.6Bilineartractionseparationruleforinterfacialdamagebehavior在牵引力分离损伤模型中，采用最大名义应力准则来判断界面的初始损伤：
【参考文献】：
期刊论文
[1]CF/Al复合材料横向拉伸渐进损伤与弹塑性力学行为[J]. 王振军,田亮,蔡长春,余欢,徐志锋,Gui WANG,Matthew S.DARGUSCH. 中国有色金属学报. 2019(03)
[2]织物结构对2.5D-Cf/Al复合材料微观组织与力学性能的影响[J]. 胡银生,余欢,王振军,徐志锋,董敬涛. 中国有色金属学报. 2018(12)
[3]预热温度对Cf/Al复合材料微观组织及室温与高温力学性能的影响[J]. 王振军,朱世学,余欢,徐志锋,陈新文. 稀有金属材料与工程. 2018(03)
[4]深冷处理对连续Cf/ZL301复合材料拉伸强度与残余应力的影响[J]. 聂明明,徐志锋,余欢,蔡长春,王振军. 中国有色金属学报. 2017(09)
[5]基于细观有限元方法的复合材料横向力学性能分析[J]. 刘万雷,常新龙,张晓军,张磊. 材料工程. 2016(11)
[6]超声辅助热压制备Cf/Al复合板界面及性能研究[J]. 李明,王红霞,周斌,张少雄,李刚,梁伟. 哈尔滨工程大学学报. 2017(02)
[7]编织结构对3D-Cf/Al复合材料显微组织与力学性能的影响[J]. 周珍珍,徐志锋,余欢,王振军. 中国有色金属学报. 2016(04)
[8]基体合金对连续M40石墨纤维/Al复合材料纤维损伤及断裂机制的影响[J]. 聂明明,徐志锋,余欢,王振军,姚菁. 复合材料学报. 2016(12)
[9]Micromechanical Analysis of Interfacial Debonding in Metal Matrix Composites Subjected to off-axis Loading[J]. Xiaojun Zhu,Xuefeng Chen,Zhi Zhai,Qiang Chen,Shaohua Tian,Zhengjia He. 纤维复合材料. 2013(03)
[10]内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析[J]. 周储伟,杨卫,方岱宁. 力学学报. 1999(03)
硕士论文
[1]单向复合材料界面对其力学性能影响的研究[D]. 潘自民.哈尔滨工业大学 2010
[2]单向纤维增强复合材料的数值模拟研究[D]. 罗智.中国科学技术大学 2010
本文编号：3356702
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