金属基复合材料的尺寸效应
- 格式：doc
- 大小：334.00 KB
- 文档页数：5
金属基复合材料的尺寸效应
S. Groha,∗, B. Devincrea, L.P. Kubina, A. Roosb,F.Feyelb, J.-L. Chabocheb
摘要
机械属性Al/Al2O3金属基复合材料的三维离散位错塑性连续模拟研究。屈服应力的变化作为一个纤维体积分数函数可以由奥罗万法预测。依赖内部应力纤维体积分数导致尺寸效应产生一个虚拟的减少纤维之间的通道宽度。
©2004 Elsevier公司保留所有权利。
关键词：金属基复合材料、尺寸效应、位错动力学;有限元法;仿真。
1.介绍
屈服应力由长纤维增强金属基复合材料(MMC)的结果由这两个阶段的属性的组合。纵向载荷作用下,与纤维轴平行,屈服应力主要控制的是：(1)相对统一,(2)沿着纤维方向远远高于任何其他方向。另一方面，屈服应力是主要由控制矩阵属性时 MMC 加载在横向方向，因为矩阵塑性变形而保持弹性纤维。
在经典连续介质力学框架内，屈服应力仅取决于体积分数的纤维和可能影响的微观结构参数，如纤维之间的是不占有距离的。然而,规模效应可能显现的特征维度组合降低了。他们可能不被这种类型的模型显示。
MMC的力学性能,与一个典型的纤维之间的距离d,取决于这个几何参数干扰等特征距离如位错的平均自由程。
本研究探讨MMC的行为时的特征长度，D≈0.5 m，小于位错的平均自由路径。目标是模拟和模型的尺寸效应，可以发生在结构材料中。使用称为离散连续体模型 (DCM) 合并了两个离散脱位属性混合仿真和有关长度缩放，以及连续体方面的藏汉。这项研究的输出相比较于简单连续介质力学模型和演进的产量应力的不同是几何配置显示了尺寸效应的明确证据。DCM 不久就是第 2 节中提出的。第3节 致力于介绍和讨论以及第 4 条和模拟结果的结束语。
2.模拟方法
耦合模拟相结合的位错动力学（DD）的代码和一个有限元（FE）代码允许同时处理离散和连续方面的可塑性。它们的使用目前仅限于相对简单的控制配置，[ 1,2 ]。在本质上，DCM是由一个有限元程序构成，其中的本构关系是由一个DD模拟代替。这种方法的主要优点是弹性和塑性领域可以在严格的方式确定的数字，考虑到位错的存在于一个小体积元和各种可能的边界条件[ 3 ]。由于缺乏空间，这里就不介绍了DD模拟[ 4 ]。
图1。纤维体积分数为三的调查的金属基复合材料的几何形状。白色线：fv = 5%，深灰色线：fv = 20%，黑色线：fv= 45%。
初始几何模型复合的是图 1 中提出的。已测试纤维的三体积分数，从5 至 45%。纤维之间距离在0.27 m 和 0.82 m范围内.应用周期边界条件和定期 MMC 的主要细胞之间的最小距离如图 1 所示。铁网修造与二次型的元素，因此纤维有一个方形的横断面。若要避免应力集中，应所有纤维角变都圆。纤维的 z 轴是平行的到 [0 0 1] 矩阵的方向。因而，纵向和横向载荷分别是在 z 和 y 方向。
Al/Al2O3作为模型材料，由于其力学性能是有据可查的文献[5,6]。是在加工过程中产生的位错结构的一致性，初始位错密度是固定的，在所有研究的情况下，一个相当大的价值，ρ0≈0.7×1014m−2。杨氏模量和泊松比分别为两个阶段，EAl = 71.3gpa，E Al2O3= 373gpa，νAl＝0.347，νAl2O3 = 0.235。为了简单起见，不引入的残余应力。
3.结果和讨论
在第一步,仿真结果比较的一个简单的有限元计算,描述的本构行为矩阵的幂律。在相同的条件计算这是同一位错密度、 载荷、 边界条件下，这项规律是由适合的应力应变曲线计算出–在相同条件下 由 DCM 铝晶体的 MMC 材料描画出的。临界压力由·冯·米塞斯定义标准和加工硬化速率,R被定义为：
R(ε) = R0 + K(ε0 +ε)n, (1)
其中 R0 = 0.1MPa, K = 55MPa, ε0 = 10−9 s−1 ， n =0.16.
加工硬化指数的值,n,来自DCM在良好的协议与实验获得的一个[5]。
图2.横向氧化铝\/铝复合材料的应力-应变曲线具有不同纤维体积分数,在一个模拟细胞在大小和不变的常数初始位错密度。维的体积分数为5%，20%和45%。虚线是指连续预测。实线表示的离散连续模型的输出。
3.1.MDC与塑性连续体模型
图2表示纤维体积分数为三的横向应力应变曲线。相对于有限元计算，屈服应力增加了50和95%，分别为的最小和最大的纤维体积分数。这些结果说明了一个简单的连续模型不包含长度尺度的缺点。
在文献中发现了两种主要类型的大小的影响。由知名的 Hall–Petch 关系条件下多晶体，应力在晶粒尺寸的平方根成反比表示焦虑之一。这种规模效应被说明错位通过阻止在晶粒间界错位一起叠加的属性。第二个效果的产生 confinement 和线的张力属性，诱使临界应力特征长度成反比。一个典型的例子是奥罗万应力错位之间沉淀物会析出的。
图 3。位错结构投影到 一个(0 0 1) 平面用的纤维在 ε ＝ 1.6 × 10 − 3 最高体积分数为 DCM 模拟。请注意在接口和最小宽度的通道的位错的积累。
由于尺寸效应已经出现在小塑性应变以及没有一起叠加出现在接口（见图3），该霍尔佩奇关系可能会在目前的情况下，被认为是不相关的。一个通用的confinement法在1/d下，因此，在形式的测试：
ζt = 2ΦΓ/bd 以及 Γ = [µb2(1 − ν cos2 α)] /4π(1 − ν)logdb (2)
其中 Γ 是线张力和 Φ 方向的一个因素。
屈服应力的演变模拟与DCM在这样一个简单的线张力模型吻合较好（见图4）。这证实了横向荷载,纤维的力学响应的贡献可以忽略不计。然而，这一结果有异议的一个二维是由cleveringa等人获得的。[ 1 ]，其中的尺寸效应是由于堆积的形成。
图 4。演变的屈服应力作为函数的反函数值纤维之间的距离。虚线： 在 1/d.交叉中的泛型 confinement
法的预测： DCM 的预测。当1/d的增加，复合材料中的纤维的体积分数是增加的。
一种源缩短机制是由莫特森等人提出的。[ 7 ]解释了在金属基复合材料中非常大的加工
