B4C/6061Al复合材料热压缩断裂行为的多尺度研究
Multi-Scale Study on the Fracture Behavior of Hot Compression B4C/6061Al Composite
通讯作者: 王全兆,qzhwang@imr.ac.cn,主要从事金属基复合材料和搅拌摩擦焊接与加工的研究
责任编辑: 肖素红
收稿日期: 2018-09-27 修回日期: 2018-12-19 网络出版日期: 2019-06-26
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Corresponding authors: WANG Quanzhao, associate professor, Tel:
Received: 2018-09-27 Revised: 2018-12-19 Online: 2019-06-26
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作者简介 About authors
周丽,女,1971年生,教授,博士
运用实验和模拟仿真相结合的方法研究了B4C/6061Al复合材料的热压缩断裂行为,确定了损伤模型及损伤参数。建立了单向多尺度有限元模型,分析了B4C/6061Al复合材料的细观损伤机理。结果表明,由于B4C/6061Al复合材料内部不均匀的细观结构,剪切损伤模型不能预测其断裂行为,而GTN损伤模型能准确预测B4C/6061Al复合材料的热压缩断裂行为。通过与实验结果的比较,确定了31%B4C/6061Al (质量分数)复合材料的GTN模型损伤参数,从而使模拟和实验获得的裂纹深度和载荷-位移曲线高度一致。此外,利用单向多尺度有限元法准确地分析了B4C/6061Al复合材料热压缩过程的细观损伤机理,即热压缩过程中出现的宏观裂纹是由颗粒的脆性断裂、基体和界面的脱黏以及基体的延性损伤导致的。
关键词:
B4C/Al composites possess excellent physical and mechanical properties, especially the capacity of neutron absorption, and therefore are increasingly used in nuclear industry for storage and transportation of spent fuels. However, very little study has reported the fracture behavior of B4C/Al composite under hot compression. Therefore, at the present work, the hot compression fracture behavior of B4C/6061Al composite was studied by combining experimental and simulation methods, and the fracture model and damage parameters were determined. A unidirectional multi-scale finite element model was established to analyze the meso damage mechanism of B4C/6061Al composite. The results show that the shear damage model cannot predict the fracture behavior of B4C/6061Al composite because of the inhomogeneous microstructure, and the GTN damage model can accurately predict the hot compression fracture behavior of B4C/6061Al composite. At the same time, by comparing with the experimental results, the GTN damage parameters of 31%B4C/6061Al composite were determined, and then by applying the damage parameters, the calculated crack depth and load-displacement curves agree well with the experimental results. In addition, the micro-damage mechanism of B4C/6061Al composite during hot compression process was analyzed accurately with the unidirectional multi-scale finite element method, which was caused by brittle fracture of particles, debonding between matrix and interface, and ductile damage of matrix.
Keywords:
本文引用格式
周丽, 张鹏飞, 王全兆, 肖伯律, 马宗义, 于涛.
ZHOU Li, ZHANG Pengfei, WANG Quanzhao, XIAO Bolü, MA Zongyi, YU Tao.
对一种材料可加工性的完整描述,需要了解变形过程中加工参数(如温度、应变速率和应变)对流动应力的影响、材料的失效行为以及组织演化机制的转变。已有文献[9,10,11,12,13]研究了B4C/Al复合材料热变形中的流变行为及相应的微观结构变化,分析了温度和应变速率对流变应力的影响[9]。通过对高应变率下的流变应力修正,修正后的Arrhenius双曲正弦本构模型可以很好地预测B4C/6061Al复合材料的热变形行为[11]。贺玮等[12]采用不同的二次加工方法获得了抗拉强度高、组织分布均匀的B4C/Al复合材料。李德富等[13]研究了B4C/2009Al 复合材料热加工变形中发生动态再结晶的临界条件。但关于B4C/Al复合材料热变形中材料的断裂行为还少有研究。Li等[14]和Opelt等[15]分别对陶瓷和聚合物基复合材料热压缩条件下的断裂机理进行了研究。不同复合材料具有不同的细观结构,但研究结果表明,在热压缩条件下,变形温度对基体内的微孔洞、微裂纹和界面的演化等有显著影响,而且宏观上表现出的断裂形貌是由其细观组织决定的。
本工作运用实验和模拟计算分析了31%B4C/6061Al (质量分数)复合材料热压缩过程中的断裂损伤模型,考虑了温度和应变率对裂纹开裂的影响,确定了GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型中的材料常数,并采用单向多尺度有限元法分析了裂纹开裂的细观机制。
1 损伤模型
1.1 剪切损伤模型
剪切损伤是由材料变形过程中内部剪切带的滑移引起的,因此剪切损伤模型在热压缩模拟过程中是值得考虑的。塑性变形单调递增的状态变量(WD)表示为[25]:
1.2 GTN损伤模型
式中,σy为材料的屈服应力,q1、q2和q3为反映孔洞相互作用的常数,σm为平均应力,f *为孔洞合并时失去应力承载能力的函数,是关于孔洞体积分数(f)来进行定义:
式中,fc为临界孔洞体积分数,ff为完全失效时的孔洞体积分数,fu为平衡系数。
在塑性变形过程中,
式中,
2 热压缩实验
实验材料为粉末冶金方法制备的31%B4C/6061Al复合材料,B4C颗粒平均尺寸为5~20 μm,其初始显微组织如图1所示。6061Al合金的主要化学成分(质量分数,%)为:Fe 0.70,Si 0.80,Mn 0.15,Cr 0.35,Mg 1.20,Zn0.25,Al 余量。热压缩实验试样尺寸为直径8 mm×12 mm的圆柱体,实验温度分别为375、425、475和525 ℃,应变率为0.01、0.1、1和10 s-1。压缩实验在Gleeble 3800 热力模拟试验机上进行,在压缩实验过程中,Gleeble 3800热模拟机微处理器利用标准的方程自动采集实验数据和曲线。热压缩后在线切割机上将试样沿垂直加载轴方向切割,并利用MEF4A型万能光学显微镜(OM)观察并测量裂纹长度。
图1
图1
31%B4C/6061Al 复合材料的初始显微组织的OM像
Fig.1
OM image of initial microstructure of 31%B4C/6061Al composite
3 有限元模拟
图2
表1 31%B4C/6061Al复合材料热物理性能
Table 1
Thermo-physical parameter | Value | Unit |
---|---|---|
Young's modulus (E) | 136 | GPa |
Shear modulus of elasticity (G) | 52.3 | GPa |
Specific heat (cp) | 1.381 | J·g−1·K−1 |
Thermal diffusivity | 31.42 | m2·s−1 |
Coefficient of thermal expansion (φ) | 16.9×10−6 | K−1 |
Poisson's ratio (μ) | 0.3 | |
Density (ρ) | 2.64 | g·m−3 |
式中,S为试样的压缩量,t为压缩时间,ε和
4 结果与分析
4.1 裂纹形貌分析
图3所示为31%B4C/6061Al复合材料在应变率10 s-1、压下量为75%时,不同温度下的热压缩实验所得的裂纹形貌。从图中可以看出,热压缩后的试样出现了不同深度和宽度的裂纹,而且裂纹都是沿着平行于加载方向分布的。随着实验温度的升高,裂纹的深度和宽度有所下降,这也进一步验证了随着热变形温度的升高,31%B4C/6061Al复合材料的可加工性提高。
图3
图3
应变率10 s-1、压下量为75%时,31%B4C/6061Al复合材料热压缩后不同温度下的裂纹形貌
Fig.3
Crack morphologies of 31%B4C/6061Al composite after hot compression at 375 ℃ (a), 425 ℃ (b), 475 ℃ (c) and 525 ℃ (d) under strain rate of 10 s-1 and reduction of 75%
图4
图4
应变率10 s-1、压下量为27%时,由剪切损伤模型计算所得不同温度下31%B4C/6061Al复合材料的裂纹形貌
Fig.4
Crack morphologies of 31%B4C/6061Al composite calculated by shear fracture model at 375 ℃ (a), 425 ℃ (b), 475 ℃ (c) and 525 ℃ (d) under strain rate of 10 s-1 and reduction of 27%
图5所示为采用GTN损伤模型计算得到的应变率为10 s-1时,不同温度下31%B4C/6061Al复合材料热压缩后的裂纹形貌。可以看出,模拟计算所得裂纹形貌与实验结果相同。模拟中发现,采用GTN损伤模型,在压下量较小时,试样表面并没有出现裂纹,这与实验观测到的现象一致。除此之外,可以明显地发现,随着热压温度的升高,试样表面的裂纹变浅、宽度变窄,这也与实验所得结果相吻合。因此,GTN损伤模型可以很好地预测31%B4C/6061Al复合材料热压缩过程的断裂行为。
图5
图5
应变率10 s-1时由GTN损伤模型计算所得不同温度下31%B4C/6061Al复合材料的裂纹形貌
Fig.5
Crack morphologies of 31%B4C/6061Al composite calculated by GTN model at 375 ℃ (a), 425 ℃ (b), 475 ℃ (c) and 525 ℃ (d) under strain rate of 10 s-1
4.2 GTN损伤模型参数的确定
为了准确预测31%B4C/6061Al复合材料热压缩过程的断裂特性,经过多次试算发现GTN模型中损伤参数εN、SN、fN、fc和ff对裂纹特性影响较大。f0为复合材料内部的初始孔洞体积分数,由于基体和增强相之间界面及基体内部的材料缺陷会使初始孔洞体积分数不为零。因此,比较不同压缩条件下实验与模拟结果,通过对这些损伤参数的多次调整,最终确定了31%B4C/6061Al复合材料的GTN损伤模型参数为q1=1.5,q2=1,q3=2.25,f0=0.0025,fc=0.0065,ff=0.0098,fN=0.005,εN=0.3,SN=0.08,其中q1、q2、q3值采用Abendroth等[29]和Benseddiq等[30]的研究结果,f0值采用文献[23]的研究结果。
图6
图6
应变率为10 s-1时不同温度下GTN损伤模型计算与实验裂纹深度对比
Fig.6
Comparisons of crack depth calculated by GTN model (a~d) and experimental results (e~h) at 375 ℃ (a, e), 425 ℃ (b, f), 475 ℃ (c, g) and 525 ℃ (d, h) under strain rate of 10 s-1
图7a给出了31%B4C/6061Al复合材料在应变率为10 s-1时,不同温度下GTN损伤模型计算与实验载荷-位移曲线的比较,图7b显示了525 ℃时不同应变率下GTN损伤模型计算与实验载荷-位移曲线的比较。可以看出,随着温度的升高和应变率的降低,材料的流变应力逐渐下降,模拟曲线和实验曲线吻合很好。在不同热压缩条件下, 31%B4C/6061Al复合材料的载荷-位移曲线变化规律相似。在变形的初始阶段,即弹性阶段,载荷随位移的增加而急剧升高;变形中期,载荷曲线随位移的增加变化很平缓;当位移为6 mm左右(压下量为试样高度的二分之一)时,载荷随位移的增加又快速增大。变形中期载荷变化平缓是由于热变形过程中,硬化机理(如应变硬化)以及软化机理(如动态回复、动态再结晶)同时产生且相互作用[31]。
图7
图7
不同温度和应变率下GTN损伤模型与实验所得热压缩过程中载荷-位移曲线的比较
Fig.7
Comparisons of load-displacement curves be-tween experimental and calculated by GTN model during hot compression at strain rate of 10 s-1 (a) and 425 ℃ (b)
通过比较可以发现,采用GTN损伤模型计算的31%B4C/6061Al复合材料热压裂纹形貌、尺寸及载荷-位移曲线与实验所得结果高度吻合。因此,本工作所求解的31%B4C/6061Al复合材料GTN损伤模型参数是准确可靠的,并且可以应用到该材料有限元数值模拟中。
4.3 多尺度法分析细观裂纹形成原因
图8
图8
有限元模拟中特征位置的选取
Fig.8
Selections of feature positions in finite element simulation
图9
图9
31%B4C/6061Al复合材料二维细观有限元模型的建立
Fig.9
Establishment of 2D mesoscopic finite element model of 31%B4C/6061Al
(a) microstructure (b) local zooming (c) finite element model
图10
图10
随压缩时间的延长,细观模型中裂纹的形成过程
Fig.10
Crack formation in mesoscopic model at time of 0.06 s (a), 0.062 s (b), 0.065 s (c) and 0.068 s (d)
5 结论
(1) 通过有限元分析与实验对比,剪切损伤模型不能预测31%B4C/6061Al复合材料热压缩开裂行为,GTN损伤模型能准确预测31%B4C/6061Al复合材料热压缩断裂行为。
(2) 通过比较不同压缩条件下实验与模拟结果,分析了压缩裂纹深度与载荷-位移曲线,确定了31%B4C/6061Al复合材料的GTN损伤参数,从而为该材料断裂模拟计算提供了可靠数据。
(3) 运用单向多尺度有限元法分析了B4C/6061Al复合材料热压缩过程的细观损伤机理,热压缩过程中出现的宏观裂纹是由细观结构中颗粒的脆性断裂、基体和界面的脱黏以及基体损伤导致的。