金属玻璃基复合材料增韧机理的数值模拟

发布时间：2017-08-23 00:26

  本文关键词：金属玻璃基复合材料增韧机理的数值模拟

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【摘要】：大块金属玻璃由于其独特的原子排列方式,使其具有了高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀以及优秀的软磁学性能。但是在室温下,由于缺乏硬化机制,几乎所有的块体金属玻璃都由于一条或者几条剪切带而发生局部剪切导致破坏,以至于表现出宏观脆性。研究者们通过引入第二相的方法对金属玻璃进行增韧,确保复合材料在具有高强度的情况下又具有良好的韧性。目前,大部分金属玻璃基复合材料力学性能的研究还仅仅停留在实验上。本文通过有限元模拟的方法,从金属玻璃剪切带的演化和裂纹扩展两个方面来分析第二相颗粒对金属玻璃韧性的影响。主要内容如下：(1)通过UMAT用户子程序,将基于自由体积理论的本构模型引入到ABAQUS中,模拟金属玻璃基复合材料在单轴拉伸载荷作用下剪切带的演化过程,讨论了颗粒体积分数、形状、分布以及材料参数等微结构参数对复合材料中剪切带的演化以及复合材料韧性的影响。结果表明：随着颗粒体积分数的增加,复合材料整体应力水平降低；体积分数在8%-12%之间复合材料韧性较好；颗粒之间间距也起到了很大的作用。相同条件下,圆形颗粒比方形颗粒增韧效果要好；增加颗粒屈服应力,复合材料整体应力水平相应提高,颗粒抵抗剪切带的能力增强,剪切带易于绕过颗粒进行扩展,相反,颗粒屈服强度越小,越容易被剪切。(2)由于复合材料很容易出现界面破坏,所以用Cohesive element考虑非完美界面的破坏过程。发现界面的破坏包括三个部分：无脱粘阶段,脱粘扩展阶段和完全发生脱粘。而且随着界面弹性模量的增加,整体复合材料的弹性模量和屈服应力都有所增加,这说明良好的界面能够保证基体和颗粒之间充分的应力传递。(3)预制一小段裂纹缺陷,考虑在裂纹影响下,金属玻璃自由体积浓度的变化以及剪切带的演化过程。结果表明：裂纹的加入,使剪切带很容易在裂纹处萌生,导致剪切带发生了分叉；和边裂纹相比,复合材料在中心裂纹影响下软化程度要低；随着裂纹条数增多,复合材料整体应力水平降低,材料软化程度降低。
【关键词】：金属玻璃 复合材料 剪切带 自由体积浓度
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG139.8;TB33
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 块体金属玻璃概述11-12
• 1.2 研究意义12-13
• 1.3 国内外研究现状13-17
• 1.3.1 本构研究13-15
• 1.3.2 实验研究15-16
• 1.3.3 数值模拟研究16-17
• 1.4 本文的主要工作17-18
• 第2章 金属玻璃本构关系的有限元实现18-32
• 2.1 金属玻璃的变形机制18-20
• 2.1.1 剪切带的形成机理18-19
• 2.1.2 剪切带的演化过程19-20
• 2.2 基于自由体积理论的金属玻璃本构模型20-27
• 2.2.1 自由体积理论21
• 2.2.2 本构关系21-23
• 2.2.3 一致性切线模量的推导23-27
• 2.3 本构模型的验证27-30
• 2.3.1 有限元模型27-28
• 2.3.2 边界条件28-29
• 2.3.3 材料参数29
• 2.3.4 模拟结果29-30
• 2.4 本章小结30-32
• 第3章 金属玻璃基复合材料剪切带演化数值模拟32-51
• 3.1 Ta颗粒本构模型32-33
• 3.2 晶相颗粒参数的影响33-43
• 3.2.1 颗粒体积分数对金属玻璃增韧效果的影响34-36
• 3.2.2 颗粒之间间距对金属玻璃增韧效果的影响36-38
• 3.2.3 颗粒形状对金属玻璃增韧效果的影响38-39
• 3.2.4 颗粒大小对金属玻璃增韧效果的影响39-40
• 3.2.5 颗粒分布对金属玻璃增韧效果的影响40-41
• 3.2.6 颗粒材料参数对金属玻璃增韧效果的影响41-43
• 3.3 非完美界面对金属玻璃韧性的影响43-50
• 3.3.1 内聚力模型43-44
• 3.3.2 有限元模型44-45
• 3.3.3 模拟结果45-48
• 3.3.4 不同界面模量的影响48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 裂纹对金属玻璃剪切带的影响51-61
• 4.1 有限元模型51-52
• 4.2 边裂纹对金属玻璃剪切带的影响52-53
• 4.3 不同裂纹形式对金属玻璃剪切带的影响53-56
• 4.4 颗粒参数的影响56-60
• 4.4.1 颗粒体积分数对金属玻璃剪切带的影响56-58
• 4.4.2 颗粒形状对会属玻璃剪切带的影响58-59
• 4.4.3 颗粒屈服应力对金属玻璃剪切带的影响59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 结论61-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文70

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本文编号：721947