1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:李怡然,尧军平,黄 浩,等.SiC/AZ91D 镁基复合材料单轴拉伸过程中裂纹萌生扩展机制 J.塑性工程学报,2023,30(2):185-196.LI Yiran,YAO Junping,HUANG Hao,et al.Crack initiation and propagation mechanism of SiC/AZ91D magnesium matrix composites during uniaxial tens
2、ion J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):185-196.基金项目:国家自然科学基金资助项目(52065046;51661024)通信作者:尧军平,男,1965 年生,博士研究生,教授,主要从事金属基复合材料研究,E-mail:yyyjpsz 第一作者:李怡然,男,1996 年生,硕士研究生,主要从事颗粒增强金属基复合材料研究,E-mail:359102626 收稿日期:2022-04-24;修订日期:2022-12-21SiC/AZ91D 镁基复合材料单轴拉伸过程中裂纹萌生扩展机制李怡然,尧军平,黄 浩,梁超群(南昌航空大学 航空制
3、造工程学院,江西 南昌 330000)摘 要:利用 Abaqus 有限元分析软件研究了不同体积分数和不同形状颗粒的 SiC/AZ91D 镁基复合材料在单轴拉伸下的裂纹萌生、扩展以及断裂机制。结果表明,圆形颗粒 SiC/AZ91D 镁基复合材料的屈服强度为 248 MPa,正方形颗粒 SiC/AZ91D 镁基复合材料的屈服强度为 190 MPa,原始形状颗粒镁基复合材料的屈服强度为 210 MPa。颗粒体积分数为 10%、15%和 20%的复合材料裂纹断裂时间分别在施载后的第 40、第 33 和第 31 s。圆形颗粒复合材料的裂纹扩展机制是基体损伤萌生的裂纹扩张导致材料断裂,而正方形颗粒复合材料
4、和原始形状颗粒复合材料的裂纹扩展机制是颗粒与基体交界处萌生裂纹,导致主裂纹形成并产生次生裂纹扩张直至材料断裂。关键词:SiC/AZ91D;有限元分析;裂纹扩展;单轴拉伸中图分类号:TB333 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0185-12doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.022Crack initiation and propagation mechanism of SiC/AZ91D magnesium matrix composites during uniaxial tensionLI Yi-ran,YAO Jun-p
5、ing,HUANG Hao,LIANG Chao-qun(School of Aviation Manufacturing Engineering,Nanchang Aviation University,Nanchang 330000,China)Abstract:The crack initiation,propagation and fracture mechanism of SiC/AZ91D magnesium matrix composites with different volume frac-tions and different particle shapes under
6、uniaxial tension were studied by Abaqus finite element analysis software.The results show that the yield strength of circular particle SiC/AZ91D magnesium matrix composites is 248 MPa,the yield strength of square particle SiC/AZ91D magnesium matrix composites is 190 MPa,and the yield strength of ori
7、ginal-shaped particle magnesium matrix composites is 210 MPa.The crack fracture time of composites with particle volume fraction of 10%,15%and 20%is at 40,33 and 31 s,respectively.The crack prop-agation mechanism of circular particle composites is the material fracture,which is caused by crack propa
8、gation initiated by matrix damage,while the crack propagation mechanism of square particle composites and original-shaped particle composites is the crack initiation at the in-terface between particles and matrix,which leads to the formation of main crack and secondary crack propagation until materi
9、al fracture.Key words:SiC/AZ91D;finite element analysis;crack propagation;uniaxial tension 引言颗粒增强金属基复合材料具有韧性好、减震性强、强度高以及刚性好等特点,在航空航天、通讯领域、汽车等领域的应用前景广泛1-2。众多学者对其疲劳损伤性能进行了研究,发现增强体形状、分布方式和体积分数等颗粒特性对颗粒增强金属基复合材料损伤有着较大影响3-4。因此,研究颗粒特性对颗粒增强金属基复合材料的裂纹萌生扩展机制具有重要的学术价值。颗粒增强金属基复合材料的损伤主要为颗粒自身开裂、颗粒基体界面脱粘以及基体损伤失效 3
10、 种形式,损伤主要取决于颗粒性能和结构参数,如颗粒形状、大小和体积分数等5。IQBAL A Y 等6研究了混杂颗粒对金属基复合材料低周疲劳裂纹萌生和早期扩展机制的影响,发现颗粒或者纤维的加入导致复合材料的小裂纹萌生于颗粒(纤维)和基体的界面。SUGIMURA Y 等7研究了颗粒体积分数对SiC/Al 颗粒增强复合材料的影响,发现复合材料的疲劳裂纹扩展速率相比于基体材料要快且随颗粒体积分数的增大而加快,这是因为复合材料中增强体颗粒的断裂导致了抗裂纹扩展能力降低。LLOYD D8通过对一系列体积分数不同的 SiC/Al 基复合材料的研究表明,当颗粒体积分数从 0%逐渐增加到25%时,材料的弹性模量
11、随体积分数的增加而显著增加;材料的屈服强度随体积分数的变化同弹性模量的变化不同:当体积分数较低时(15%),屈服强度随体积分数的增加而明显增加;但当体积分数较高时(15%),材料屈服强度随体积分数的增加趋势变得非常不明显并且出现屈服强度随体积分数增加而略微降低的现象。SONG S G 等9研究了颗粒平均大小为 5 m、体积分数为 20%,颗粒形貌分别为球形和带尖角的 Al2O3颗粒增强 6061Al 复合材料的单轴拉伸力学性能,其实验结果表明,球形颗粒增强复合材料的屈服强度和加工硬化率较低,但伸长率较高。ZHANG F 等10通过建立近似 SiC 颗粒微观形状结构的三维有限元模型,研究了拉伸过
12、程中 SiC/Al 复合材料的断裂机理,结果表明复合材料的断裂由 SiC 颗粒的断裂、界面处撕裂和基体的开裂几种机理共同影响。综上所述,目前金属基复合材料研究最多的是铝基复合材料中裂纹萌生扩展机理,对于以 SiC 颗粒为增强相、AZ91D 镁合金为基体的镁基复合材料,其裂纹萌生扩展机制研究鲜见报道。因此,本文借助有限元分析软件 Abaqus 建立 SiC/AZ91D 镁基复合材料的有限元分析模型,研究不同体积分数和不同形状的 SiC 颗粒对 SiC/AZ91D 镁基复合材料在单轴拉伸情况下裂纹萌生扩展机制。1 实验1.1 SiC/AZ91D 镁基复合材料有限元模型建立选取了 SiC 颗粒尺寸为
13、 2 m,AZ91D 镁合金和SiC 颗粒基本参数如表 1 所示1,11-12。图 1 为 SiC 颗粒的扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)图,由图可知,SiC 颗粒的原始形貌多数是不规则五边形和六边形随机分布在 AZ91D表 1 AZ91D 镁合金和 SiC 颗粒的基本参数1,11-12Tab.1 Basic parameters of AZ91D magnesium alloy and SiC particles1,11-12材料弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa 密度/(kgm-3)AZ91D450.332801800SiC4500.1720
14、003200图 1 SiC 颗粒 SEM 图Fig.1 SEM diagram of SiC particles基体中,因此将 SiC 颗粒的形状设计为不规则五边形和六边形13。采用 RSA 随机算法,使得 SiC 颗粒能够随机分布在 AZ91D 镁合金基体中,从而得到了两种 SiCp/AZ91D 镁基复合材料二维有限元模型。第 1 种模型的颗粒为原始形状,颗粒体积分数分别为 10%、15%和 20%,通过 Abaqus 中质量属性计算得到体积分数 10%的 SiC 颗粒面积为 250 m2,体积分数15%的 SiC 颗粒面积为 375 m2,体积分数 20%的SiC 颗粒面积为 500 m2
15、,由此可知,不同体积分数的颗粒面积分数分别为 10%、15%和 20%;第 2 种模型的颗粒体积分数为 15%,颗粒形状分别为圆形、正方形和原始形状,模型的尺寸为 50 m 50 m,网格全局尺寸 0.0004,共有 34119 个单元,其中 AZ91D 基体与 SiC 颗粒界面有 1281 个四边形单元,颗粒模型有 3141 个三角形单元,AZ91D 镁合金模型有 29697 个三角形单元;AZ91D 基体和SiC 颗粒网格单元类型 CPE3(三结点线性平面应变三角形单元);AZ91D 基体与 SiC 颗粒界面单元类型 COH2D4(四结点二维粘结单元)。图 2a 为颗粒模型图,图 2b 为
16、网格划分图,图 2c 为约束条件与加载方向。1.2 界面内聚力模型内聚力损伤模型通过界面周围材料之间的内聚力关系来模拟裂纹萌生和扩展14。因此,本构关系使用内聚力模型,采用牵引分离准则描述681塑性工程学报第 30 卷图 2 SiCp/AZ91D 镁基复合材料颗粒模型建立(a)、网格划分(b)和载荷施加(c)Fig.2 Establishment of particle model(a),meshing(b)and load application(c)of SiCp/AZ91D magnesium matrix composites界面的损伤行为和双线性模型定义。图 3 为双线性内聚力模型15,图中,0m为最大切应力,Gc为断裂能。图 3 双线性内聚力模型15Fig.3 Bilinear cohesive force model15针对二维有限元模型,D 为损伤量,取值范围为 0,1,上角标 0 表示单元未进入损伤状态,当内聚力单元到达损伤临界有效位移后,开始进入损伤演化阶段,随着界面分离位移增加,单元产生损伤,损伤量等于 1 时,开始形成微裂纹,随着外载荷持续加载,微裂纹沿着单元边
