颗粒增强复合材料的强度预测

第20卷第1期V o l.20N o.1　硬　质　合　金CE M EN T ED CA RB I D E2003年3月M ar.2003综合评述颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望王基才Ξ　尤显卿　郑玉春　程娟文(合肥工业大学材料学院,合肥,230009)摘　要　从材料的选择、制备技术和性能等方面对颗粒增强金属基复合材料的研究现状进行综合评述。

分析了颗粒增强金属基复合材料发展过程中存在的一些问题及改进措施,指出了颗粒增强金属基复合材料的几个重要发展方向:制备技术的改进、应用范围向特色应用领域的拓宽和再生回收的重视。

关键词　复合材料　碳化物粒子　制备技术　性能　生产应用1　引　言自1965年A Kelly,G J davies和D C ratch ley 等[1]首先总结和提出了金属基复合材料(M etal M atrix Com po sites,简称MM C s)的资料以来, MM C s就以其高的比强度、比刚度及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及成分可设等优点[2-4]吸引了各国学者和科研人员的关注,成为材料研究和开发的热点。

按增强体的形式MM C s可分为连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强等。

由于连续纤维增强的MM C s必须先制成复合丝,工艺成本高而复杂,因此其应用范围有很大的局限性,只应用于少数有特殊性能要求的零件。

颗粒增强金属基复合材料(Particu late R einfo rced M etal M atrix Com po sites,简称PRMM C)是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。

PRMM C具有增强体成本低,微观结构均匀,材料各向同性,可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点[5-8],因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注[9-10]。

2　PRMM C材料的选择基体材料是MM C s的主要组成部分,起着固结增强相、传递和承受各种载荷(力、热、电)的作用。

第16卷第4期精密成形工程2024年4月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING95基于神经网络的混杂SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能预测李晓童1，庄乾铎1，牛志亮1，王锶杰1，邢正1，李赞2，岳振明1*（1.山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东威海 264209；2.金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240）摘要：目的提高混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的韧性，利用卷积神经网络预测其力学性能，以得到力学性能关键因素的影响规律。

方法首先，通过实验得到了铝基复合材料的力学性能数据。

其次，基于相场裂纹扩展本构，采用Python代码批量生成了不同构型参数的代表性体积单元，并利用Abaqus软件进行了有限元仿真（FEM）。

通过代码实现了建模与仿真的一体化构建，利用得到的仿真数据，建立了神经网络模型，并实现了对复合材料力学性能的预测。

建模前，对数据进行预处理和筛选，以提高数据质量并降低模型复杂度。

最后，建立卷积神经网络，并优化模型的超参数。

结果通过建立的神经网络模型，实现了对复合材料力学性能的有效预测。

极限强度的预测误差保持在−7%~8.5%，能耗的预测误差保持在−5%~6%，预测精度较高。

结论通过结合实验、仿真和卷积神经网络模型，可以更有效地预测混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的力学性能，从而为材料设计和制备提供指导。

关键词：混杂SiC颗粒；铝基复合材料；卷积神经网络；力学性能预测；相场裂纹扩展本构DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.012中图分类号：TG1 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)04-0095-06Prediction of Mechanical Properties of Hybrid SiC Particle-reinforcedAluminum-based Composites Based on Neural NetworkLI Xiaotong1, ZHUANG Qianduo1, NIU Zhiliang1, WANG Sijie1, XING Zheng1, LI Zan2, YUE Zhenming1*(1. School of Mechanical, Electrical and Information Engineering, Shandong University (Weihai), Shandong Weihai 264209,China; 2. State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai 200240, China)ABSTRACT: The work aims to enhance the toughness of hybrid SiC particle-reinforced aluminum-based composites and pre-dict the mechanical properties of the composites by utilizing a convolutional neural network (CNN) to determine the key factors affecting their mechanical performance. Firstly, experimental data on the mechanical properties of the aluminum-based compos-ites were obtained. Then, based on the phase-field crack propagation constitutive model, representative volume elements (RVEs) with different configuration parameters were generated by Python code, and finite element simulations (FEM) were conducted收稿日期：2024-01-19Received：2024-01-19基金项目：国家自然科学基金（52175337，52192591）Fund：The National Natural Science Foundation of China (52175337, 52192591)引文格式：李晓童, 庄乾铎, 牛志亮, 等. 基于神经网络的混杂SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能预测[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 95-100.LI Xiaotong, ZHUANG Qianduo, NIU Zhiliang, et al. Prediction of Mechanical Properties of Hybrid SiC Particle-reinforced Aluminum-based Composites Based on Neural Network[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(4): 95-100.*通信作者（Corresponding author）96精密成形工程 2024年4月with Abaqus software. The integrated construction of modeling and simulation code was realized and the neural network model was constructed with the obtained simulation data, enabling the prediction of the mechanical properties of the com-posites. Prior to modeling, the data were preprocessed and selected to improve data quality and reduce model complexity. A convolutional neural network was established, and the hyperparameters of the model were optimized. The developed neural network model achieved effective prediction of the mechanical properties of the composites. The prediction error for ultimate strength ranged from −7% to 8.5%, and for energy absorption ranged from −5% to 6%, demonstrating high prediction accu-racy. By combining experiments, simulations, and convolutional neural network models, the mechanical properties of hybrid SiC particle-reinforced aluminum-based composites can be predicted more effectively, thereby providing guidance for mate-rial design and fabrication.KEY WORDS: hybrid SiC particles; aluminum-based composites; convolutional neural network; mechanical property predic-tion; phase-field crack propagation constitutive碳化硅颗粒（SiC p）是金属基复合材料的典型增强体[1-4]，具有高强度、高模量和耐磨损等优点，作为第二相增强体广泛应用于铝基复合材料中[5]。

复合材料的复合原则与机制复合材料的性能与微观相的特性、形状、体积分数、分散程度以及界面特性等有很大的关系。

在对复合材料进行设计和性能预测以及性能分析时，需要用到复合材料的一些基本理论，即复合材料的复合原则与机制。

一、颗粒增强原理颗粒增强复合材料中主要承受载荷的是基体而非颗粒。

从宏观上看，颗粒增强复合材料中的颗粒是随机弥散分布在基体中的，这些弥散的质点阻碍基体中的位错运动。

如果质点是均匀分布的球形颗粒，直径为d，体积分数为Vp，则复合材料的屈服强度可用下式表示：式中Gm为基体的切变模量，b为柏氏矢量。

可以看出，弥散颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。

颗粒增强的拉伸强度往往不是增强，而是降低的。

当基体与颗粒无偶联时，可以认为颗粒最终与基体完全脱离，颗粒占有的体积可看作孔洞，此时基体承受全部载荷，颗粒增强复合材料的拉伸强度为：式中为基体的拉伸强度。

上式表明，随颗粒体积含量Vp 的增加而下降。

并且此式仅适用于Vp≤40%的情况。

有偶联时的情况比较复杂，此时材料的拉伸强度不再出现随颗粒体积含量的增加而单调下降的情况，且拉伸强度明显提高。

除了以上直接的影响之外，加入颗粒导致晶粒尺寸、空洞和晶界性能的变化也间接的影响复合材料的力学性能。

二、连续纤维增强连续纤维增强复合材料是由长纤维和基体组成的复合材料。

在工程上，一般将复合材料简化为图3的层板模型来分析其力学行为。

图3的二维层板模型有并联和串连两种考虑方式。

在串联模型中，纤维薄片和基体薄片在横向上呈串联形式，意味着纤维在横向上完全被基体隔开，适用于纤维所占百分比较少的情况；而并联模型则意味着纤维在横向上完全连通，适用于纤维含量较多的情况。

1．串联模型的弹性常数：（1）纵向弹性模量E11在串联模型中取出代表体积单元，平均应力σ1。

由材料力学知道，已知纤维材料的弹性模量E f和基体材料的弹性模量Em, 欲求单元应变ε1或纵向弹性模量E11的问题是一次超静定问题。

复合材料的力学模型与性能预测在当今的工程领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。

从航空航天到汽车制造，从体育用品到医疗设备，复合材料的应用日益广泛。

然而，要充分发挥复合材料的优势，准确理解其力学行为和预测其性能至关重要。

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。

这些不同的组分相互作用，赋予了复合材料独特的性能。

常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和颗粒增强复合材料等。

为了研究复合材料的力学行为，科学家们建立了各种各样的力学模型。

其中，微观力学模型着重从材料的微观结构出发，分析单个纤维或颗粒与基体之间的相互作用。

通过这种模型，可以了解复合材料在微观尺度上的应力和应变分布，进而预测其整体性能。

例如，对于纤维增强复合材料，常用的微观力学模型有混合法则和等效夹杂模型。

混合法则基于材料的体积分数和各组分的性能，简单地对复合材料的性能进行估算。

虽然这种方法相对简单，但在一些情况下可能会产生较大的误差。

等效夹杂模型则将纤维视为等效的夹杂体，通过复杂的数学推导来计算复合材料的等效性能，其预测结果通常更为准确。

宏观力学模型则将复合材料视为均匀的连续体，不考虑其微观结构。

这种模型主要用于分析复合材料在宏观尺度上的力学响应，如梁、板等结构的弯曲、拉伸和压缩等行为。

常见的宏观力学模型包括经典层合板理论和有限元方法。

经典层合板理论将复合材料层合板视为由多层不同方向的单层板组成，通过叠加各单层板的贡献来计算层合板的整体性能。

这一理论在工程中得到了广泛的应用，但它对于复杂的加载情况和边界条件的处理能力有限。

有限元方法则是一种更为强大的工具，它可以模拟各种复杂的几何形状、加载条件和边界约束。

通过将复合材料结构离散为有限个单元，并对每个单元的力学行为进行分析，最终得到整个结构的响应。

有限元方法在复合材料的设计和分析中发挥着重要的作用，但它需要较高的计算资源和专业的软件支持。

3、结构性能
通过观察复合材料的显微组织，分析碳化硅颗粒的分布情况和界面结合情况。 实验结果显示，随着碳化硅颗粒含量的增加，颗粒分布逐渐均匀，界面结合强度 也逐渐提高。Fra bibliotek结果分析
实验结果表明，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的物理性能、化学性能和结构 性能均得到显著改善。随着碳化硅颗粒含量的增加，复合材料的密度、硬度和界 面结合强度逐渐提高，而热导率呈现先增加后减小的趋势。这些现象和结果与碳 化硅颗粒含量、分布情况以及界面结合情况密切相关。
材料选择
碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要包括搅拌铸造法、挤压铸造法、 粉末冶金法和喷射沉积法等。本次演示选取搅拌铸造法进行研究，具体实验过程 如下：
1、按照一定比例将铝材和碳化硅颗粒混合均匀； 2、将混合物放入坩埚中，加热至熔化；
3、搅拌熔融的混合物，确保碳化硅颗粒均匀分布； 4、浇注至预定的模具中，冷却凝固后得到碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
然而，尽管颗粒增强铝基复合材料具有诸多优点，但在其研究与应用方面仍 存在一些问题和不足之处。首先，制备工艺复杂且成本较高，限制了其广泛应用。 其次，材料的各向异性较为明显，影响了其性能的进一步提升。此外，关于颗粒 增强铝基复合材料在复杂服役条件下的长期性能和可靠性方面仍需进一步研究和 验证。
未来，随着科学技术的不断进步和研究的深入，颗粒增强铝基复合材料将会 在更多领域得到应用和发展。为进一步提高其性能和降低成本，可以研究新的制 备工艺和优化现有工艺参数，探索新型增强颗粒和基体合金。针对其各向异性和 长期性能问题，可以开展深入的理论和实验研究，建立完善的性能评价体系，为 实际应用提供更加可靠的依据。
感谢观看
3、结构设计难度大：由于碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能与传统 的金属材料存在较大差异，因此在进行结构设计时需要考虑更多的影响因素，增 加了设计的难度。

颗粒增强镁基复合材料颗粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，已经成为金属基复合材料领域最重要的研究方向。

颗粒增强金属基复合材料的主要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基复合材料发展最快；而镁的密度更低，有更高的比强度、比刚度，而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能，镁基复合材料正成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。

镁基复合材料因其密度小，且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到航空航天、汽车、机械及电子等高技术领域的重视。

颗粒增强镁基复合材料与连续纤维增强、非连续(短纤维、晶须等)纤维增强镁基复合材料相比，具有力学性能呈各向同性、制备工艺简单、增强体价格低廉、易成型、易机械加工等特点，是目前最有可能实现低成本、规模化商业生产的镁基复合材料。

一、制备方法1、粉末冶金法粉末冶金法是把微细纯净的镁合金粉末和增颗粒均匀混合后在模具中冷压，然后在真空中将合体加热至合金两相区进行热压，最后加工成型得复合材料的方法。

粉末冶金的特点：可控制增颗粒的体积分数，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低，一般不会发生过量的界面反应。

该法工艺设备较复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。

2、熔体浸渗法熔体浸渗法包括压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗。

压力浸渗是先将增强颗粒做成预制件，加入液态镁合金后加压使熔融的镁合金浸渗到预制件中，制成复合材料采用高压浸渗，可克服增强颗粒与基体的不润湿情况，气孔、疏松等铸造缺陷也可以得到很好的弥补。

无压浸渗是指熔的镁合金在惰性气体的保护下，不施加任何压力对增强颗粒预制件进行浸渗。

该工艺设备简单、成本低，但预制件的制备费用较高，因此不利于大规模生产。

增强颗粒与基体的润湿性是无压浸渗技术的关键。

负压浸渗是通过预制件造成真空的负压环境使熔融的镁合金渗入到预制件中。

由负压浸渗制备的SiC／Mg颗粒在基体中分布均匀。

复合材料的抗拉强度与性能研究在当今科技飞速发展的时代，复合材料凭借其卓越的性能在众多领域崭露头角。

其中，抗拉强度作为衡量复合材料性能的关键指标之一，备受关注。

为了更深入地了解复合材料的性能特点，我们有必要对其抗拉强度展开一番探究。

复合材料，顾名思义，是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成的一种新型材料。

它结合了组成材料的优点，弥补了单一材料的不足，从而展现出独特的性能优势。

而抗拉强度，简单来说，就是材料在拉伸过程中能够承受的最大拉力，反映了材料抵抗断裂的能力。

复合材料的种类繁多，常见的有纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层合复合材料等。

以纤维增强复合材料为例，其通常由高强度的纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）嵌入到基体材料（如树脂）中形成。

在这种结构中，纤维承担了主要的拉力，而基体则起到传递和分散应力的作用。

由于纤维的高强度特性，使得纤维增强复合材料具有出色的抗拉强度。

影响复合材料抗拉强度的因素众多。

首先是增强材料的性能和含量。

增强材料的强度越高、含量越大，复合材料的抗拉强度往往也越高。

例如，碳纤维的强度远高于玻璃纤维，因此碳纤维增强复合材料的抗拉强度通常优于玻璃纤维增强复合材料。

其次，基体材料的性能也至关重要。

良好的基体材料能够有效地将载荷传递给增强材料，并与增强材料形成良好的界面结合，从而提高复合材料的整体抗拉强度。

此外，复合材料的制造工艺也会对其抗拉强度产生影响。

制造过程中的温度、压力、固化时间等参数如果控制不当，可能会导致材料内部出现缺陷，如孔隙、裂纹等，从而降低抗拉强度。

为了准确测定复合材料的抗拉强度，需要采用一系列专业的测试方法和设备。

常见的测试方法包括拉伸试验、三点弯曲试验等。

在拉伸试验中，将复合材料制成标准试样，然后在万能试验机上进行拉伸，通过测量试样在拉伸过程中的载荷和变形，计算出抗拉强度。

测试过程中，需要严格控制试验条件，确保测试结果的准确性和可靠性。

复合材料的优异抗拉强度使其在航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域得到了广泛的应用。

复合材料的抗压强度分析在当今的材料科学领域，复合材料因其卓越的性能而备受关注。

其中，抗压强度作为评估复合材料性能的关键指标之一，对于其在众多工程应用中的可靠性和安全性起着至关重要的作用。

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。

常见的复合材料包括纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）和颗粒增强复合材料（如碳化硅颗粒增强铝基复合材料）等。

这些不同类型的复合材料在抗压强度方面表现出各自独特的特点。

要理解复合材料的抗压强度，首先需要了解其组成成分的特性。

以纤维增强复合材料为例，其中的纤维通常具有高强度和高模量，如碳纤维具有出色的抗拉强度。

而基体材料（如树脂）则主要起到传递载荷和保护纤维的作用。

在承受压力时，纤维承担了大部分的载荷，基体则协同纤维共同抵抗变形。

复合材料的微观结构对其抗压强度有着显著影响。

纤维的排列方式、纤维与基体的界面结合强度、纤维的长度和直径等因素都会改变复合材料的抗压性能。

如果纤维排列杂乱无章，载荷传递效率就会降低，从而导致抗压强度下降。

良好的纤维与基体界面结合能够有效地传递应力，提高抗压强度。

此外，纤维的长度和直径也会影响其增强效果，一般来说，较长且直径适中的纤维能够提供更好的抗压性能。

制备工艺也是影响复合材料抗压强度的重要因素。

在制造过程中，如成型温度、压力、固化时间等工艺参数的控制不当，可能会导致复合材料内部产生孔隙、缺陷或残余应力，这些都会削弱材料的抗压强度。

例如，过高的成型温度可能会引起基体的分解或纤维的损伤，而过低的压力则可能无法使材料充分压实，从而留下空隙。

实验测试是确定复合材料抗压强度的直接方法。

常见的抗压强度测试包括准静态压缩试验和动态压缩试验。

准静态压缩试验通常在较低的加载速率下进行，能够较为准确地测量材料在静态载荷下的抗压性能。

动态压缩试验则模拟了材料在高速冲击等动态载荷下的响应，对于评估复合材料在特殊工况下的抗压能力具有重要意义。

复合材料强度参数预测的多尺度分析方法余新刚摘要复合材料宏观力学性能的理论预测是对复合材料及其结构一体化优化设计的基础，复合材料力学性能预测包括刚度参数和强度参数的预测。

到目前为止，对于复合材料刚度参数的预测已经有很多成熟的理论和方法，然而对于强度参数的预测仍然是一个难题。

在众多成熟的刚度预报方法中，基于均匀化理论的多尺度方法是一种适应于周期性构造复合材料的，通用、高效、精确的方法。

本文主要研究复合材料强度参数预报的多尺度分析方法。

首先，本文针对具有周期性构造的复合材料，将其强度参数分解为局部拉伸、弯曲和扭转三种单因素的强度行为，采用直杆拉伸、弯曲和扭转三种承载模型，给出了周期性复合材料的线弹性强度预测方法，主要结果是：推导了用于强度参数预测的多尺度公式，给出了周期性复合材料直杆在拉伸、弯曲和扭转状态下的应变场表达式。

通过大量的数值算例，以及与试验数据的对比，验证了算法的可行性和有效性。

此外，作为一个典型的应用实例，对四步法编织复合材料的强度进行了分析。

首先将计算结果与试验数据进行了对比，以验证多尺度分析方法在四步法编织复合材料强度预测方面的有效性。

随后对四步法编织复合材料的强度进行了深入研究，给出了细观特征参数：纤维体积含量和编织角，对强度的影响，其结果对编织复合材料的设计和优化具有一定的参考价值。

论文的第二部分研究了随机构造复合材料强度参数预测的多尺度计算方法，在介绍了一种含大量随机颗粒分布复合材料数值模拟算法的基础上，发展并实现了针对这种三维区域的四面体网格剖分算法，为进一步的强度分析提供了高质量的数值模型。

进而，本文针对随机颗粒分布复合材料的特点，将其表征为具有周期性随机分布颗粒的复合材料，推导了基于统计概念的多尺度分析的强度预测公式，给出了直杆均匀拉伸、悬臂梁纯弯曲和圆形常截面柱体扭转的应变场表达式，以及统计意义下的随机分布复合材料的线弹性强度预测算法，并进行了大量的数值试验。

通过与物理试验数据的对比，验证了算法的有效性。

纳米粒子增强聚合物基复合材料的制备与力学性能研究在材料科学领域的研究中，纳米粒子增强的聚合物基复合材料引起了广泛关注。

这种复合材料结合了聚合物的优良性能和纳米材料的独特特性，具有优异的力学性能和多种应用潜力。

一、纳米粒子增强材料的制备方法制备纳米粒子增强聚合物基复合材料的方法多种多样。

其中一种常用的方法是通过溶液法将纳米粒子与聚合物相结合。

首先，选择合适的纳米粒子，如碳纳米管、氧化物纳米颗粒等，根据所需要的性能和应用目标进行选择。

然后，将纳米粒子分散在溶剂中，并与聚合物溶液进行混合。

通过搅拌、超声处理等手段，使纳米粒子均匀分散在聚合物基质中。

最后，通过热压、浇铸等方法将混合溶液固化成坚固的复合材料。

二、纳米粒子增强材料的力学性能研究方法研究纳米粒子增强聚合物基复合材料的力学性能是复合材料研究的关键之一。

常用的方法包括拉伸实验、弯曲实验和压缩实验等。

通过这些实验，可以测量复合材料的强度、韧性、模量等力学性能指标。

同时，还可以借助显微镜、扫描电子显微镜等仪器观察材料的断裂面和断裂模式，进一步分析复合材料的断裂机制。

三、纳米粒子增强材料的力学性能研究成果纳米粒子增强聚合物基复合材料的研究已经取得了一些重要成果。

例如，研究人员发现，在添加适量的纳米粒子后，复合材料的强度和韧性可以显著提高。

纳米粒子的添加可以增加材料的界面强度，提高材料的抗拉强度和断裂韧性。

此外，纳米粒子还可以改善材料的热稳定性和耐磨性等性能。

这些研究成果为纳米粒子增强聚合物基复合材料的应用提供了有力支持。

四、纳米粒子增强材料的应用前景纳米粒子增强的聚合物基复合材料具有广泛的应用前景。

首先，在汽车工业中，利用纳米粒子增强材料可以制备轻量化的车身结构，提高汽车的燃油经济性。

其次，在航空航天领域，纳米粒子增强材料可以用于制造高强度、高温耐受性的航空部件。

此外，在能源储存和转化领域，纳米粒子增强复合材料可以用于制备更高效的电池、超级电容器和燃料电池等。

颗粒增强复合材料增强机制近年来，随着科学技术的不断进步，复合材料已经成为了一种重要的材料。

颗粒增强复合材料是其中一种常见的复合材料，具有很高的强度和硬度，被广泛应用于各种领域。

那么，颗粒增强复合材料的增强机制是什么呢？本文将从材料的种类、微观结构、力学性能等方面进行阐述。

一、材料种类颗粒增强复合材料是一种由基质和颗粒两部分组成的材料。

颗粒通常是金属、陶瓷、碳纤维等坚硬材料，而基质则是聚合物、金属等材料。

根据颗粒与基质间的相互作用，分为机械锁定、化学结合和物理吸附三种类型。

机械锁定型颗粒增强复合材料是指颗粒与基质之间通过机械锁定而形成的结合。

这种结合方式的优点是制备简单，但是其强度较低，不适用于高强度材料的制备。

化学结合型颗粒增强复合材料是指颗粒与基质之间通过化学键结合而形成的结合。

这种结合方式的优点是强度高、耐热性好，但是制备难度较大，需要精确的温度和时间控制。

物理吸附型颗粒增强复合材料是指颗粒与基质之间通过物理吸附力而形成的结合。

这种结合方式的优点是制备简单、成本低，但是强度较低，适用于一些低强度的材料。

二、微观结构颗粒增强复合材料的微观结构是其增强机制的重要组成部分。

颗粒与基质之间的相互作用决定了复合材料的性能。

在机械锁定型颗粒增强复合材料中，颗粒与基质之间的结合通常是通过机械锁定实现的。

在化学结合型颗粒增强复合材料中，颗粒与基质之间的结合是通过化学键来实现的。

在物理吸附型颗粒增强复合材料中，颗粒与基质之间的结合是通过物理吸附力来实现的。

三、力学性能颗粒增强复合材料的力学性能是由颗粒与基质之间的相互作用决定的。

在机械锁定型颗粒增强复合材料中，颗粒与基质之间的结合较弱，强度和硬度较低。

在化学结合型颗粒增强复合材料中，颗粒与基质之间的化学键结合较强，强度和硬度较高。

在物理吸附型颗粒增强复合材料中，颗粒与基质之间的结合较弱，强度和硬度较低。

总之，颗粒增强复合材料的增强机制是由材料种类、微观结构和力学性能三方面共同决定的。

第16卷第4期精密成形工程成形有限元模拟冯效铭1,2，张峻凡1，王东1，肖伯律1*，马宗义1（1.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心，沈阳 110016；2.中国科学技术大学材料科学与工程学院，沈阳 110016）摘要：目的建立可靠的模拟方法，以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料（PRAMC）粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异，解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题，满足批量应用的需求。

方法以45%（体积分数）SiCp/6092Al复合材料为研究对象，构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。

使用Gurson-Tvergard-Needleman（GTN）模型作为粉末本构模型，建立了粉末尺度的代表性体积单元（RVE）对GTN模型进行修正。

结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果，发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸，与修正前相比，相对误差降低了1.6%~2.9%。

使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测，最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%，致密度分布的相对误差在0.5%以内。

在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现，随着包套厚度的增大，热等静压过程中的屏蔽作用增强，内部粉体致密度下降。

结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具，辅助优化了热等静压工艺和包套设计，降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

关键词：颗粒增强铝基复合材料；粉末冶金；体积代表单元；GTN模型；近净成形DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.001中图分类号：TB331；TG146.2+1 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)04-0001-09Finite Element Simulation of Near Net Shape Hot Isostatic Pressing ofParticle Reinforced Aluminum Matrix CompositesFENG Xiaoming1,2, ZHANG Junfan1, WANG Dong1, XIAO Bolv1*, MA Zongyi1(1. Shi Changxu Innovation Center for Advanced Materials, Institute of Metal Research, Chinese Academy ofSciences, Shenyang 110016, China; 2. School of Materials Science and Engineering, University ofScience and Technology of China, Shenyang 110016, China)ABSTRACT: The work aims to establish a reliable simulation method to predict shape changes and density differences in dif-收稿日期：2024-01-31Received：2024-01-31基金项目：国家重点研发计划（2022YFB3707400）；国家自然科学基金（52192594，52201052）Fund：National Key R&D Program of China (2022YFB3707400); National Natural Science Foundation of China (52192594, 52201052)引文格式：冯效铭, 张峻凡, 王东, 等. 颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 1-9.FENG Xiaoming, ZHANG Junfan, WANG Dong, et al. Finite Element Simulation of Near Net Shape Hot Isostatic Pressing of Particle Reinforced Aluminum Matrix Composites[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(4): 1-9.*通信作者（Corresponding author）2精密成形工程 2024年4月ferent components of particle reinforced aluminum matrix composite (PRAMC) during powder hot isostatic pressing more effi-ciently, so as to solve the problem of poor applicability and time-consuming efforts of trial errors in traditional experimental methods, and to meet the demands of batch application. A finite element model of the powder hot isostatic pressing forming process for 45vol.% SiCp/6092Al composite material was developed. With the Gurson-Tvergard-Needleman (GTN) model as the powder constitutive model, a representative volume element (RVE) was established to modify the GTN model. By compar-ing the computed results of the GTN model with experimental results, the modified GTN model accurately predicted the final deformation size of the model with a reduced relative error of 1.6%-2.9% compared to that before the modification. The modi-fied GTN model was used to predict the hot isostatic pressing forming process of a rotary components, the final shape calcula-tion result had a relative error range of only 0.2%-3.1% with the experimental result and the relative error of the density distribu-tion was within 0.5%. In addition, the effect of sheath thickness on the hot isostatic pressing process was explored and it was found that as the encapsulated thickness increased, the encapsulated effect in the hot isostatic pressing process also increased, leading to a decrease in the internal powder densification. A finite element prediction tool was provided for the shape and den-sity control of PRAMC near net shape forming, helps to optimize the hot isostatic pressing process and encapsulation design, and reduces the trial error cost of developing the near net shape process of PRAMC by hot isostatic pressing.KEY WORDS: particle reinforced aluminum matrix composites; powder metallurgy; representative volume element; GTN model; near net shape颗粒增强铝基复合材料（PRAMC）[1-4]是在铝合金基体中添加SiC、B4C等陶瓷颗粒增强相而形成的复合材料，具备高比强度、高比刚度、高耐磨性等优势。

SiC颗粒增强Al基复合材料及其性能研究杨雅静;李付国;袁战伟【摘要】SiC颗粒的加入使SiC增强铝基复合材料拥有了优异的综合性能,从而成为具有广泛使用价值的先进复合材料.本文综述了SiC颗粒增强铝基复合材料的第二相特征及其对使用性能的影响规律.特别是对近年来倍受关注的SiC颗粒形状、尺寸、体积分数、颗粒分布和界面特征等对复合材料宏、微观性能的影响进行了详细论述.%The second phase characteristics of Silicon carbide particles reinforced Al matrix composites and its influence law on the performance have been overviewed in the text. The influence of silicon carbide particle factors, including particle shape, particle size, volume fraction, particles distribution and interface characteristics between particjle and matrix, on macro and micro performance of matrix composites have been expounded in detail.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】7页(P82-88)【关键词】复合材料;SiCp/Al;性能;综述【作者】杨雅静;李付国;袁战伟【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+11 前言SiCp/Al基复合材料由于具有高比强度、高刚度、耐疲劳、耐磨损、热膨胀系数低、优良的尺寸稳定性、较强的可设计性等优异的综合性能，已成为具有广泛使用价值的先进复合材料。

• 分析这些韧窝形成的方式有两种,一种是大韧窝,其尺寸和形状都 与增强体颗粒有关,韧窝内既发现完整的颗粒(图 b),界面脱开引起 韧窝),也有断裂的颗粒(图c),颗粒断裂产生韧窝)
还有一种韧窝存在于基体上,在撕裂棱上分布着轮廓清晰、尺寸较 小的小韧窝,大小一般在 3 μm以下( 见图 (a) 。
微观断口分析
正断一般为脆性断裂，切断一般为韧性断裂。
微观断口分析
• 如图显示了两类 PRMMCs 的微观拉伸断口形貌。可见, SiC 颗粒 增强铝合金基复合材料拉伸断裂有基体韧断界面脱开和颗粒断裂 三种方式
• 就微观角度来看, 这两类材料断裂时均未出现解理面, 断口中存在 着不同大小和深浅的韧窝, 呈现出韧性断裂特征。
• 上述实验结果, 随增强体颗粒增加, 材料弹性模量升高具有一般性。 这是因为材料弹性模量和刚度是增强体颗粒和金属基体的平均表 现, 属于结构不敏感特性, 是由整体的量所决定的。
• 随 SiC 颗粒增加, 材料增强与否是有条件的。这是因为材料强度属 于结构敏感特性, 是由局部的量决定的, SiC 颗粒的加入, 造成了变 形的区域化, 区域化程度的差别及基体与增强体间界面状况的不 同便产生了增强与降强的相反效果 。
• 当基体屈服强度 较低时, 复合材料抗拉强度由基体 的韧断机制控制, SiC 颗粒的加入提高了基体内的 位错密度并阻止滑 移进行, 从而起到了增强作用; 当基体屈服强度较高 时, 界面受到数倍于基体的高 应力作用, 在基体尚未 发生塑性变形前便破坏, 故 其抗拉强度由界面脱开 机制控制。显然, 只有基体 与界面强度的合理匹配, 才能使该类复合材料性能
达到最佳。
•
• 由上面的分析可知，当基体的强度较低时, SiC 颗粒的加入起到了增强的作用;当基体的强度 较高时, SiC 颗粒的加入起到了降强的作用。

第22卷　第2期2002年6月航　空　材　料　学　报JO URN AL O F AERONA U T ICAL M A T ERIA LSV ol.22,No.2June2002金属基复合材料的强化机制陈剑锋,武高辉,孙东立,姜龙涛(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:复合材料的强化机制和强度预报一直是材料学的研究热点,因为这涉及到材料的组织设计问题。

以往的研究对于金属基复合材料的强化机理有很多种说法,而且提出了大量的模型,但迄今为止缺乏一个统一而完善的理论。

本文总结分析了近年来有关金属基复合材料的强化机制和一些相关的模型,并指出了这些强化机制的不足和以后的发展趋势。

关键词:金属基复合材料;强度;强化机制;强化模型;材料设计中图分类号:T B331 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2002)02-0049-05 复合材料的强化机制和强度预报[1～3]涉及到材料的组织设计问题,近年来一直是材料学的研究热点。

金属基复合材料尤其是颗粒增强金属基复合材料的强化机制极其复杂,虽然提出了很多强化模型,”如混合定律[4]、剪切套模型[5,6]、球化模型[7]、Eshelby连续介质力学模型[8,9]、有限元分析数学模型[10]等,但迄今为止缺乏一个完善的理论。

概括地讲,颗粒增强复合材料强化机制主要有以下几点[11]:①材料受载时,增强体对基体变形的约束或对基体中位错运动的阻碍产生的强化作用;②基体向增强体的载荷传递;③增强体加入基体,由于基体和增强体热膨胀系数不同导致材料内产生热残余应力以及由于热残余应力释放导致基体中产生位错或基体加工硬化;④基体与增强体之间的界面结合状况及界面附近基体的微观结构和化学性质。

关于上述强化机制的相对作用程度还必须根据具体材料和材料变形不同阶段来确定。

目前金属基复合材料的增强机制尚不明确,仍存在争议,一般认为主要有基体和增强体之间的载荷传递、位错强化、沉淀强化、固溶强化、细晶强化、加工硬化、模量强化等。

复合材料强度与韧性的性能优化设计导言：复合材料是一种由多种材料组合而成的材料，具有较高的强度和韧性，广泛应用于航空、汽车、建筑等领域。

为了更好地发挥复合材料的性能，需要对其强度和韧性进行优化设计。

一、复合材料的强度优化复合材料的强度主要由其基体材料和增强材料决定。

优化复合材料的强度需要考虑以下几个方面：1. 基体材料的选择：基体材料是复合材料中主要的支撑结构，其选择直接影响到复合材料的整体强度。

常用的基体材料有树脂、金属和陶瓷等，根据具体应用需求选择合适的基体材料。

2. 增强材料的选择：增强材料可以增加复合材料的强度，一般使用纤维材料或颗粒材料进行增强。

纤维材料如碳纤维、玻璃纤维等具有较高的强度，颗粒材料如硅酸钙等可以增强复合材料的硬度。

选择合适的增强材料可以提高复合材料的整体强度。

3. 材料比例的控制：复合材料中基体材料和增强材料的比例是影响强度的关键因素。

增加增强材料的比例可以提高复合材料的强度，但过高的比例可能导致材料脆性增加。

因此，需要在考虑强度的同时，保持一定的韧性。

二、复合材料的韧性优化复合材料的韧性是指其在受力时能够吸收大量的能量而不断变形，而不是立即破坏。

韧性优化需要从以下几个方面考虑：1. 增强材料的耐破坏性：增强材料的选择和制备对复合材料的韧性有重要影响。

如采用具有高韧性的碳纤维增强材料，可以有效抵抗材料的断裂和破坏。

2. 细化增强材料的尺寸：通过控制增强材料的颗粒或纤维的尺寸，可以增加复合材料中裂纹的路径，提高其韧性。

此外，细化增强材料的尺寸还可以增加界面面积，提高材料的传力效果，进一步提高韧性。

3. 优化复合材料结构：复合材料的结构设计对韧性的影响也很重要。

例如，增加交错层的数量和角度，可以增加复合材料的层间剪切强度，提高其韧性。

三、复合材料强度与韧性的综合优化复合材料的强度与韧性是相互关联的，综合优化需要将两者同时考虑：1. 合理选择基体和增强材料：在保证一定强度的前提下，选择具有高韧性的增强材料，如碳纤维等。

复合材料韧性与强度的关系分析在工程领域中，复合材料是一种结构有机分子聚合物基体中嵌入无机颗粒、纤维和膜的类材料。

复合材料以其优异的力学性能和轻质高强的特点被广泛应用于各个领域，如航空航天、汽车制造、建筑等。

其中，复合材料的韧性和强度是其最基本的力学性能指标，对材料的使用和设计具有重要的影响。

首先，我们需要了解复合材料的构成和制备工艺。

复合材料通常由两个或更多种材料组合而成，其中包括基体材料和强化材料。

基体材料具有良好的强度和韧性，而强化材料则用于提高复合材料的强度和刚度。

强化材料可以是纤维，如碳纤维和玻璃纤维，也可以是颗粒，如硅胶和陶瓷颗粒。

制备复合材料的常见方法包括层压、浇铸和注塑等。

复合材料的强度在很大程度上取决于强化材料的类型和分布方式。

纤维增强复合材料通常具有较高的强度，这是因为纤维在复合材料中可以提供额外的强度和刚度。

另一方面，颗粒增强复合材料的强度通常较低，但具有更高的韧性。

这是由于颗粒在加载过程中可以阻碍裂纹的传播，从而延缓材料的破坏。

除了强化材料的影响外，基体材料的特性也对复合材料的韧性和强度产生影响。

基体材料的选择应考虑其韧性和耐磨性等因素。

常见的基体材料有热固性树脂和热塑性树脂等。

热固性树脂通常具有较高的强度和刚度，但韧性相对较低。

而热塑性树脂则具有较高的韧性和可塑性，但强度相对较低。

因此，在复合材料设计中需要综合考虑基体材料和强化材料之间的相互作用。

韧性和强度之间存在一种互补关系。

传统上，韧性与强度被认为是线性相关的，即增加材料的强度可以降低其韧性。

然而，在复合材料中，通过优化强化材料和基体材料的组合，可以实现韧性和强度的双重提高。

例如，添加纳米颗粒可以增加复合材料的强度，同时保持其韧性。

这是因为纳米颗粒的引入可以促进界面的相互作用，并增强材料的位错锁定效应。

此外，复合材料的界面层也对韧性和强度有重要影响。

界面层是指基体材料和强化材料之间的边界区域，其结构和特性对材料的力学性能具有显著影响。