基于有限元仿真的金属玻璃基复合材料失效机理研究

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金属玻璃作为一种新型材料具有优异的力学、物理、化学性能,具有广阔的应用前景。本论文根据实验观察分析了金属玻璃基复合材料的断裂失效机理,并建立有限元模型模拟了复合材料中界面的损伤演化以及界面对复合材料变形行为的影响。研究结果有一定的参考价值,有助于对金属玻璃基复合材料变形及失效机理的理解。所做主要工作如下:对Ti32.8Zr30.2Ni5.3Cu9 Be22.7金属玻璃和内生枝晶的Ti45.7Zr3 3Ni 3Cu5.8Be12.5金属玻璃基复合材料的拉伸断口进行了电镜扫描实验,结果表明:引入的枝晶相能有效地阻止剪切带的扩展,从而使复合材料的整体塑性得到提高。Ta颗粒增强的(7)Zr7 0Ni1 0Cu20(8)78Ta1 2Al1 0金属玻璃基复合材料三点弯曲测试过程中,观测到受压侧部分Ta颗粒因挤压而破碎,部分脱落;受拉侧表面并未明显的观察到Ta颗粒断裂破碎现象,主要的现象是边缘的Ta颗粒与基体的剥离,导致裂纹萌生,最终断裂。通过调用ABAQUS用户子程序(UMAT),用ABAQUS有限元软件模拟了金属玻璃基复合材料的单轴拉伸行为。在界面处引入内聚力单元,模拟了界面的损伤演化过程。金属玻璃基复合材料中基体和颗粒在均匀分布的拉力作用下的整个破坏过程经历了三个阶段:在外力较小时,界面保持完整,整个系统处于线弹性阶段;随着外力的增加,当界面屈服应力达到界面强度时,界面开始发生损伤破坏;直至界面完全脱粘,颗粒发生剥离,基体与颗粒之间没有相互作用。在弱界面下,考虑第二相颗粒不同材料参数以及界面参数对复合材料中剪切带演化和复合材料韧性的影响。对比颗粒均匀分布和随机分布,可以得到,增韧颗粒均匀的分布在金属玻璃基复合材料基体内,能够使复合材料整体受力更均匀,提高复合材料的强度和韧性;基体内Ta颗粒含量越多,复合材料的整体应力水平越低;界面的弹性模量增加能有效的促进基体与颗粒之间的应力传递,从而提高复合材料的韧性;在一定范围内,随着界面厚度的增加,复合材料的整体应力水平降低。
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