复合材料学报 第20卷第6期12月2003年 ACTA MATER IAE COM POSITAE SN ICA Vol 20 No 6 Decem ber 2003 文章编号:1000-3851(2003)06-0036-06 颗粒形状含量和基体特性对金属基 复合材料压缩力学行为的影响 徐绯,李玉龙,郭伟国,汤忠斌 (西北工业大学飞机系强度所,710072西安 摘要通过建立轴对称体胞模型,用数值分析手段研究了在变形速率范围104105/s内,陶瓷颗粒增强铝合 金复合材料的压缩塑性流变特征,讨论了不同颗粒形状(圆柱形和球形),不同颗粒体积含量(10%~50%)和不同 铝合金基体αC4、LY1CZ和7075)对金属基复合材料流动应力、应变率敏感性等的影响,构造了可以描述高应变 率下金属基复合材料压缩行为的本构模型,并考虑了基体特性、颗粒形状、体积含量及应变率的影响,得出了与试 验相吻合的结果。 关键词高应变率;颗粒形状,体积含量,金属基复合材料 中图分类号:TB301文献标识码A NFL UENCES OF PARTICL E SHAPE. VOL UME FRACTON AND MATR IX MATER IALSON THE COM PRESSIVE BEHAVOROFMM CS XU Fei, L I Yulong, guo weiguo, TANG Zhongb in (Department of A ircraft Engineering, Northw estern Po ly techn ical U niversity, Xian 710072, Chna Abstract The com p ressive p last ic defo m ation of particle"reinfo rced m etalm atrix com po sites was investigated through num erical modeling at high stra in rates The numerical modeling is per- fo m ed using axisymm etr ic un it cell model, w ith the particles treated as e last ic ellp so ids or cy lin ders em bedded w ith in a visco"p last icm atrix F ive particle vo lume fractions from 10% to 50%and three alum in ium matrix m aterials L Y 12CZ, LC4 and 7075 were analyzed The results show that flow stress increases w ith the increasing of stra in rate and the vo lum e fracton of the rein- forcement The flow stress increases more for the higher strain harden ing m atrix m aterial and for the cy lindrical re info rcem ent The stra in rate sen sitivity is also related to the m atrix m aterial and the particle shape A smp le analy tical model is introduced w hich is ab le to describe the features of the com putatnal p red ict ons to a certain extent, which is in good agreem ent w ith the experi m en tal results Key words: high strain rate, particle shape, vo lum e fracton; m etalm atrix com po sites 陶瓷颗粒増强的金属基复合材料MMCs通常料的动态响应、变形机理和损伤破坏形式复杂。目前 具有比基体材料高的比强度和比刚度,因此有着广高应变率下颗粒增强铝合金复合材料力学行为的研 泛的应用前景。低应变率下颗粒增强和晶须增强的宄可以分为:(1)大应变率范围冲击载荷作用下的试 金属基复合材料的机械性能和破坏机理近十年来有验研究,包括破坏机理和微观损伤模式的研究 了长足的进步,而高应变率下复合材料的力学行(2)冲击载荷作用下颗粒增强金属基复合材料本构 为还认识的不够清楚,主要原因在于高应变率下材模型的建立下。其中本构模型的建立更具科学意 2002-09-23,收修改稿日期200301-13 国防基础科研项目“新型抗毁伤功能梯度材料的优化技术研究”1600E001) 徐绯副教授,主要研究方向:材料的动态破坏与失效 Email: xufei@ nwpu edu 201994-2010ChinaacademicJournalElectroniePublishingHouse.Allrightsreservedhtp:/www.cnki.net© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 文章编号: 100023851 (2003) 0620036206 收稿日期: 2002209223; 收修改稿日期: 2003201213 基金项目: 国防基础科研项目“新型抗毁伤功能梯度材料的优化技术研究”(J1600E001) 通讯作者: 徐 绯, 副教授, 主要研究方向: 材料的动态破坏与失效 E2m ail: xufei@nwpu. edu. cn 颗粒形状、含量和基体特性对金属基 复合材料压缩力学行为的影响 徐 绯, 李玉龙, 郭伟国, 汤忠斌 (西北工业大学 飞机系强度所, 710072 西安) 摘 要: 通过建立轴对称体胞模型, 用数值分析手段研究了在变形速率范围 10 - 4～ 10 5ös 内, 陶瓷颗粒增强铝合 金复合材料的压缩塑性流变特征, 讨论了不同颗粒形状(圆柱形和球形) , 不同颗粒体积含量(10%～ 50% ) 和不同 铝合金基体(LC4、L Y12CZ 和 7075) 对金属基复合材料流动应力、应变率敏感性等的影响, 构造了可以描述高应变 率下金属基复合材料压缩行为的本构模型, 并考虑了基体特性、颗粒形状、体积含量及应变率的影响, 得出了与试 验相吻合的结果。 关键词: 高应变率; 颗粒形状; 体积含量; 金属基复合材料 中图分类号: TB330. 1 文献标识码: A INFL UENCES OF PARTICLE SHAPE, VOL UM E FRACTION AND M ATR IX M ATER IALS ON THE COM PRESSIVE BEHAV IOR OF MM Cs XU Fei, L I Yu long, GUO W eiguo , TAN G Zhongb in (Departm ent of A ircraft Engineering, No rthw estern Po lytechnical U niversity, X i′an 710072, Ch ina) Abstract: The comp ressive p lastic defo rm ation of particle2reinfo rced m etal2m atrix compo sites w as investigated th rough num ericalmodeling at h igh strain rates. The num ericalmodeling is per2 fo rm ed u sing ax isymm etric un it cellmodel, w ith the particles treated as elastic ellip so ids o r cylin2 ders em bedded w ith in a visco2p lastic m atrix. Five particle vo lum e fraction s from 10% to 50% and th ree alum in ium m atrix m aterials L Y12CZ, LC4 and 7075 w ere analyzed. The resu lts show that the flow stress increases w ith the increasing of strain rate and the vo lum e fraction of the rein2 fo rcem en t. The flow stress increases mo re fo r the h igher strain harden ing m atrix m aterial and fo r the cylindrical reinfo rcem en t. The strain rate sen sitivity is also related to the m atrix m aterial and the particle shape. A simp le analytical model is in troduced w h ich is ab le to describe the featu res of the compu tational p rediction s to a certain ex ten t, w h ich is in good agreem en t w ith the experi2 m en tal resu lts. Key words: h igh strain rate; particle shape; vo lum e fraction; m etal2m atrix compo sites 陶瓷颗粒增强的金属基复合材料(MM Cs) 通常 具有比基体材料高的比强度和比刚度, 因此有着广 泛的应用前景。低应变率下颗粒增强和晶须增强的 金属基复合材料的机械性能和破坏机理近十年来有 了长足的进步[1 ] , 而高应变率下复合材料的力学行 为还认识的不够清楚, 主要原因在于高应变率下材 料的动态响应、变形机理和损伤破坏形式复杂。目前 高应变率下颗粒增强铝合金复合材料力学行为的研 究可以分为: (1) 大应变率范围冲击载荷作用下的试 验研究, 包括破坏机理和微观损伤模式的研究[2～ 6 ] ; (2) 冲击载荷作用下颗粒增强金属基复合材料本构 模型的建立[7～ 9 ]。其中本构模型的建立更具科学意 复 合 材 料 学 报 ACTA MA TER IA E COM PO S ITA E S IN ICA 第 20 卷 第 6 期 12 月 2003 年 Vo l. 20 No. 6 Decem ber 2003