顆粒增強鐵基復合材料熱殘余應力的有限元分析.pdf

1、顆粒增強金屬基復合材料具有性價比高、制備工藝簡單,易于再加工、和耐磨等優(yōu)點,在工程應用上正扮演著重要的角色;其中混合著低密度、高剛度和高強度顆粒的鐵基復合材料被認為有著廣泛的應用前景。然而顆粒增強鐵復合材料在生產(chǎn)、加工及服役過程中,不可避免地要接觸到高溫環(huán)境,如必要熱處理或在高溫、熱循環(huán)載荷下工作等。由于溫度梯度的存在及基體和顆粒間物理參數(shù)的差異等因素,會在顆粒增強鐵基復合材料的顆粒和基體結合面處產(chǎn)生熱應力。大量的研究表明,存在于顆粒增

2、強鐵基復合材料中的熱殘余應力會對顆粒增強鐵基復合材料的力學性能產(chǎn)生負面影響,進而導致由該材料所制備的產(chǎn)品壽命的減少。
　　首先,本文采用軸對稱單胞模型,參照熱應力的有限元分析理論,在 ANSYS中建立了碳化物增強鐵基復合材料的有限元模型,根據(jù)制備碳化鈮增強鐵基復合材料的熱處理工藝,利用有限元軟件計算了模型的熱應力。在對熱應力進行分析過程中考慮到了以下幾點因素:
　　1、顆粒和基體物理性能；
　　2、材料的熱處理路線；<

3、br>　　3、增強相顆粒的形狀。
　　計算結果顯示,在相同工藝路線下(相同的起始溫度和冷卻方式),模型中溫度變化的情況與顆粒的形狀無關。從等效應力的分布和數(shù)值來看,三個模型在顆粒和基體的結合面處均有應力集中現(xiàn)象。球形顆粒有助于緩解應力集中現(xiàn)象和降低材料中的熱殘余應力。圓柱形顆粒由于與基體結合面處存在尖銳的結合面,所以在該處產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象。橢球形顆粒模型中的熱殘余應力雖然最大,但其結合面處的應力集中現(xiàn)象比起圓柱形顆粒有所緩解。<

4、br>　　其次本文在球形軸對稱單胞模型的基礎上結合材料微觀結構,采用與單胞模型分析時相同的參數(shù),在ANSYS中分析了不同顆粒分布狀況對材料熱應力的影響。結果表明,團聚模型的應力集中現(xiàn)象最為明顯,顆粒的均勻分布有利于緩解顆粒增強鐵基復合材料內部的熱殘余應力集中的現(xiàn)象,使熱應力分布趨于均勻。顆粒梯度分布的模型中熱應力呈現(xiàn)出了梯度分布現(xiàn)象,使材料在顆粒濃度不同的層上能夠獲得不同的性能。
　　此外,本文利用 ANSYS中的參數(shù)化設計語言對