● 摘要
有关颗粒增强金属基复合材料的计算机模拟，多以弹性材料作为金属基复合材料的增强体，模型中一般将颗粒认为弹性材料或刚性材料。近年来，有研究者采用金属间化合物、合金等具有一定的塑性变形能力作为增强体，并认为其对基体有一定的“软”约束，可能对复合材料的强度和塑性综合性能的改善具有重要作用。关于增强体可塑性对复合材料性能影响的模拟研究尚未见诸报道。本文以此为背景，针对弹塑性颗粒增强复合材料增强特性进行研究，为金属基复合材料的设计提供理论基础。 本文应用商用ANSYS有限元软件，基于颗粒增强金属基复合材料的单球形颗粒模型和轴对称二维六节点三角形单元，通过改变颗粒应变硬化率分析其塑性指标变化对复合材料宏观拉伸性能和微观应力应变的影响，并与实验结果比较验证了模型的有效性。运用该模型，在轴对称体胞基础上，分析了弹塑性颗粒不同弹性模量、不同屈服强度、不同增强体体积分数以及不同形状对复合材料单拉行为和微观应力、应变的影响。另外，本文还考虑了颗粒间相对位置对材料微观力学性能的影响，建立了含双颗粒的二维模型，分析了颗粒相对位相和主应力之间夹角变化对应力集中的影响。 模拟结果表明：颗粒应变硬化率变对颗粒增强复合材料宏观拉伸强度无明显影响；但随着颗粒应变硬化率的降低，复合材料界面处基体到达其抗拉强度的时间推迟，有可能改善材料的韧性。随着颗粒增强相的体积分数增加复合材料弹性模量增加，两者接近线性关系；颗粒极限屈服强度增加缓慢。增强相颗粒的形状对颗粒增强复合材料弹性模量也有着较大的影响，随着颗粒尖锐度的减小，弹性模量呈减低的趋势，其影响程度依次为：圆锥>圆柱>圆台>球和椭球；颗粒位相与主应力方向的夹角θ对复合材料颗粒、基体界面的应力集中程度和应力分布状况影响显著。