3-19、金属基复合材料力学性能拟实技术

张星星，张峻凡，王全兆，肖伯律^*，马宗义

中国科学院金属研究所，沈阳110016

摘要：与传统金属相比，金属基复合材料具有例如高比强度、高比模量、高导热、耐磨和低热膨胀系数等特性，在航空航天工业领域得到广泛的应用。金属基复合材料力学性能受增强体（形状、性能和分布）、基体（成分和热处理状态）、增强体/基体界面强度等多方面因素的影响，传统研发模式依赖于大量实验试错，研发成本高、周期长。建立性能预测技术可有效缩减实验次数，辅助实现新型金属基复合材料的低成本、快速研制。然而由于影响因素复杂，建立准确有效的性能预测模型也很困难。为简化模型，传统建模方法采用了大量假设，如采用单胞模型（增强相形貌简单、不考虑增强相分布构型）、增强相/基体界面完美结合、不考虑尺寸效应等等。为了实现金属基复合材料力学性能的准确有效预测，建立新的力学性能拟实技术势在必行。

为此，本研究首先建立了包含增强相、界面相、金属基体三相模型的逼真数字材料模型，在此基础上建立力学性能预测模型，探讨了界面强度和颗粒长径比对17vol.% SiCp/2009Al复合材料力学性能的影响。研究发现：

1、随着界面强度的增大，复合材料强度增大。当界面强度设置大于600 MPa时，模拟应力值将会大于实验值，模拟断口中的界面较为完整，没有出现界面开裂，这与实验结果不吻合。当界面强度低于500 MPa时，模拟拉伸应力明显小于实验值。因此，17vol.% SiCp/2009Al 的界面强度设置为600 MPa较为合理。

2、工程应用中使用的颗粒增强金属基复合材料常常经过了挤压、轧制等大塑形加工过程，增强相颗粒存在择优取向分布。为了研究颗粒取向对模拟结果的影响，我们建立了具有不同长径比的17 vol.% SiCp/2009Al复合材料几何模型，并分别计算了不同长径比颗粒几何模型的模拟拉伸应力应变曲线。研究发现，沿颗粒长轴方向，相同应变条件下，随着颗粒长径比增大，模拟获得的应力水平越高。沿颗粒短轴方向，模拟的应力应变曲线受颗粒长径比的影响较小。这也造成了颗粒长径比越高，材料各向异性越明显。

以上研究结果表明，充分考虑界面强度、颗粒形状和分布，可有效提高金属基复合材料力学性能拟实计算精度。本研究中，模拟沿颗粒长轴方向与短轴方向的屈服强度差别不大，这与实验结果吻合较差。其原因在于尚未引入金属基复合材料在变形过程中的塑性应变梯度和热处理过程中的热残余应力应变。此外，由颗粒取向引起的基体组织差异也是造成复合材料各向异性的原因。金属基复合材料力学性能拟实模型需进一步考虑这些因素的影响。

关键词：金属基复合材料，力学性能，性能计算，长径比，各向异性

通讯作者：肖伯律，电话：024-83978630，Email: blxiao@imr.ac.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.319