颗粒增强复合材料的界面开裂与尺度效应.pdfVIP

维普资讯 第 29卷 第 1期 固 体 力 学 学 报 Vo1．29No．1 2008年 3月 CHINESEJOURNALOF SOLID MECHANICS March2008 颗粒增强复合材料的界面开裂与尺度效应 解海鸥 马寒松 魏悦广 “ (中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京 ，100080) 摘 要 采用基于 Huang等提 出的塑性应变梯度传统理论发展 的有限元方法 ，模拟 了颗粒增强金属基复合 材料 的界面开裂与颗粒尺度效应．分别针对考虑颗粒与基体问界面开裂和不开裂两种情况进行分析 ，并将考虑界 面开裂的模拟结果与实验结果进行比较 ，证 明了模型的有效性，同时也获得应变梯度理论 中所包含 的材料特征尺 度参量 的取值． 关键词 尺度效应，塑性应变梯度理论，颗粒增强复合材料，界面开裂 在计算中没有考虑界面的开裂．Hu等 ]采用微极塑 0 引言 性理论研究了颗粒增强复合材料的颗粒尺度效应问 题 ． 近二十多年来 ，人们对颗粒增强复合材料 的力 本文采用 Huang~j； 提出的基于机制的塑性应 学性能做了大量的研究．首先在实验 中揭示 出了强 变梯度传统理论 (该理论在有限元计算上有其优越 度随颗粒尺寸减小而提高 的颗粒尺度效应 ，同时研 性)，采用 Wei发展 的构元简化模型_2]，对颗粒增强 究了颗粒的杨氏模量 、颗粒体积百分 比等因素对复 复合材料的力学行为进行模拟．模拟计算 中考虑两 合材料力学性能的影响．然而有些现象，如颗粒尺度 种情况 ：颗粒与基体间界面粘结完好和颗粒与基体 效应等，难以用传统弹塑性理论给予合理的解释 ，因 问界面的开裂．在考虑颗粒与基体间界面开裂的模 为在传统理论中不包含任何材料的尺度参数．现有 拟计算 中采用图 1所示面力与开裂位移之间的粘聚 的可用来解释这种尺度效应 的理论主要有 ：离散位 力关系模拟界面开裂过程．针对低与高两种代表性 错理论 、塑性应变梯度理论和微极塑性理论等．Nan 颗粒体积百分 比情况 ，15％和 50％，详细研究复合 等[1从材料科学 的角度 出发 ，用位错理论对颗粒增 材料的总体应力应变关系的变化特征 ，并将分析结 强复合材料的力学行为进行 了分析．在颗粒尺度效 果应用于预测 A1／SiCp复合材料 的实验及对结果 应研究方面 ，Wei__2采用修正的 Fleck—Hutchinson 进行讨论． 塑性应变梯度理论 、构元模型以及相关有限元方法， 1 基 于 机 制 的塑 性 应 变 梯 度 传 统 理 论 对颗粒增强金属基 复合材料力学行为进行 了研 究， (CMSG) 将模拟计算结果分别与 Yang等 和 Dai等 的实 验结果进行了比较 ，同时预测 了对应塑性应变梯度 本节简述 Huang等人提出的 CMSG塑性应变 理论中所包含的特征材料尺度参数．但是 由于理论 梯度理论．其增量本构关系为 ： 模型中没有考虑基体与颗粒界面的开裂，虽然在应 变 比较小 的时候 ，分析结果与实验数据比较吻合，然 + +芸(南 ) 而当应变较大 时，计算结果与实验结果偏差较大． 1 p = xue-,~ 采用 MSG