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      鑄鋁合金復合材料斷裂及FEA強度分析

      發布于:2024-02-19 20:57
      FEA分析

            陶瓷短纖維增強鋁基復合材料比強度大,耐磨性與尺子穩定性好,是一類很有發展前途的復合材料。至今對此類復合材料強度進行了廣泛的研究,并發展了多種強度理論公式,但應用最廣泛的是混合法則不同的研究得到的纖維取向因子不同:其原因主要是依據經驗確定系數C或者根據拉伸結果擬合而得到C,其根本點是缺乏與材料斷裂機制相結合進行FEA分析。因而所發展的理論公式不具備預測陶瓷短纖維增強復合材料斷裂強度的普遍性規律。
            本文從分析3A1203復合材料斷裂機制與過程出發,考慮纖維分布特征、界面結合狀況、基體強化情況等因素的影響,建立簡單的強度理論公式,并與拉伸結果進行比較。
            復合材料利用擠壓鑄造法制備;w合金為商品級ZL109合金。增強纖維為國產耐火纖維,其晶型結構為莫來石結構。
            拉伸過程SEM原位觀察在CamScan-4型掃描電鏡上進行,試樣尺寸見圖所示。將其在800#水砂紙上磨光,并在拋光機上拋光。圓弧先用小圓銼加工,再用細砂紙磨光。
            常規拉伸試驗在日本島津AG-lOTA試驗機上進行,基體材料ZL109合金的拉伸試樣取自同一擠壓模中未增強部位。
            由于3A1203復合材料塑性較差(b=0.9s%),呈脆性斷襲,其整個斷裂過程難以跟蹤,但可從斷口附近裂紋啟裂及擴展情況來觀察,如圖所示。纖維與外加載荷方向呈小角度時,纖維發生斷裂(圖中A處),說明此纖維已承受了較大的載荷,文獻研究表明,呈小角度的纖維在拉伸過程中承受拉應力,當纖維承受的應力超過其斷裂強度時,發生斷裂,當纖維與外加載荷呈較大角度特別是垂直時,纖維并不發生斷裂,因為其在長度方向承受壓應力作用,而只有少量的粗大纖維縱向開裂(如圖處),這是由于粗大纖維橫向強度低所致。
            3A1203復合材料基體合金中Mg元素與纖維反應,形成反應結合,在界面生成MgA1z04反應產物,纖維基體界面結合強度高,界面能很好地起到傳遞載荷作用。因而,圖中各個取向的纖維與基體界面均觀察不到界面裂紋。圖為3A1203復合材料的宏觀拉伸斷口形貌,可見纖維與基體仍較牢固地結合,纖維剝落與拔出現象較少。拉伸過程中另一裂紋源是基體開裂,不僅因為纖維端部應力集中引起與外載方向呈較大角度纖維前端基體開裂(圖中C處),也出現在遠離纖維基體中開裂(圖中D處),這說明在發生纖維斷裂的同時基體也因承受較大載荷而開裂,因而在圖中纖維之間基體表現為少量的撕裂棱和解理小平面。而不像弱界面結合的3A1203復合材料的拉伸斷口上纖維與基體界面邊緣處基體隆起的現象。
            從大量的觀察可以發現裂紋萌生后沿垂直外載方向擴展,擴展裂紋前端也因應力集中而引起新的與外載呈小角度纖維開裂(圖中E處);也能沿大角度纖維面擴展(圖中F處)。多個裂紋相互連接,直到復合材料整體斷裂。宏觀形貌上反映斷口與拉伸方向垂直,斷口較為平整。
            Jackson等研究短纖維定向排布的復合材料,認為纖維與外加載荷呈小角度時,復合材料強度由纖維斷裂控制;中等角度時,復合材料強度由界面切變控制;大角度時,復合材料強度由基體或界面開裂控制。但對于隨機取向短纖維復合材料,其各角度纖維都存在,其斷裂過程與定向排布纖維復合材料有大的差異。從前面對3A1203復合材料斷裂機制分析可知,由于界面結合強,界面開裂現象小,而其斷裂主要由纖維斷裂與基體開裂控制。文獻研究表明,隨機取向復合材料中纖維只有在與外載方向小于某一角度時,才受拉應力作用。確切地說,對于纖維強度高、界面結合強的復合材料,應該是受拉應力作用的纖維和基體才控制復合材料的斷裂。
            定義受拉應力作用的纖維所占體積分數為有效體積分數。對于擠壓鑄造法得到的復合材料,纖維呈二維平面隨機分布,二維隨機分布復合材料有效體積分數以下式表示L91。



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