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原文传递原位ZrB2/AA6016纳米复合材料的设计制备、性能建模及损伤模拟研究

论文题名：	原位ZrB2/AA6016纳米复合材料的设计制备、性能建模及损伤模拟研究
关键词：	汽车材料;铝基复合材料;纳米颗粒;熔体直接反应法;微观组织;变形行为;损伤演化
摘要：	随着能源危机和环境污染问题的日益凸显，节能降耗已成为汽车发展的重要方向。其中，汽车车身轻量化是降低能耗、减少排放的主要途径之一。然而，随着汽车工业的快速发展对车身材料的性能要求不断提高，现有铝合金已无法满其高强韧、抗疲劳、耐冲击的苛刻要求。为此，本论文对具有高强度、高模量、高抗疲劳的原位纳米颗粒增强铝基复合材料（PRAMCs）进行制备、性能建模和损伤演化研究，为轻量化车身用高性能原位纳米PRAMCs研发和应用提供数据与理论支持。　　本文设计Al-Zr-B反应体系，采用熔体直接反应法制备原位ZrB2/AA6016纳米复合材料，并采用数值模拟和试验研究相结合的方法，依据原位纳米PRAMCs的微观组织形貌对已有的复合材料性能预测模型进行优化，使其更适应原位纳米PRAMCs的性能预测，来指导复合材料的结构设计与制备。进一步借助有限元分析手段，探究复合材料的微观组织结构与变形行为、损伤演化的关系和规律，为原位纳米PRAMCs的强韧化结构设计提供依据。本研究的具体内容包括以下四个方面：　　（1）设计并制备了颗粒体积分数分别为1%、2%及3%的原位ZrB2/AA6016Al纳米复合材料，并对其物相及微观组织形貌进行表征与分析。研究结果表明，随着颗粒体积分数的增加，复合材料晶粒尺寸不断减小，平均晶粒尺寸从未添加颗粒时的58.7μm，逐渐下降至52.9μm、35.1μm、22.9μm。该复合材料中的颗粒多以团聚形式存在，ZrB2颗粒大多呈多边形，颗粒边数介于4～6之间，约90%的ZrB2颗粒直径介于30nm～90nm之间，平均直径约为61nm。　　（2）基于Eshelby等效夹杂理论，以原位ZrB2/AA6016纳米复合材料为模型材料，同时将体积分数，颗粒形貌以及界面的特征参量融入模型，引入界面结构影响因子，建立有效预测原位纳米PRAMCs弹性模量的新模型。新模型的预测值与实验实测值吻合度更高，偏差绝对值不超过3%。　　（3）基于线性叠加的方法，综合考虑细晶强化、CTE强化、Orowan强化和颗粒承载强化四种强化机制，预测不同颗粒体积分数原位纳米PRAMCs的屈服强度，并引入颗粒分布影响因子，对Orowan强化模型和CTE强化模型进行优化，使屈服强度预测模型与实验值吻合度更高，偏差值不超过5%。　　（4）建立复合材料代表性体积元模型，模拟分析了原位纳米PRAMCs的受力变形和损伤演化过程。为分析颗粒团聚程度对损伤演化及变形过程的影响，分别建立了局部颗粒体积分数为15%，20%及25%的不同颗粒团簇程度的复合材料有限元模型，并施加连续位移载荷，模拟分析复合材料的损伤演化。结果表明，材料损伤多起始于近颗粒界面，且多位于颗粒尖角处。随着拉伸载荷的增大，损伤逐渐扩展至整个模型基体，最终导致模型发生失效断裂。对不同团聚程度的复合材料进行有限元模拟分析，结果表明在相同颗粒体积分数下，颗粒团聚程度越高，复合材料的延伸率越低；在保持颗粒团聚程度不变的情况下，颗粒体积分数升高会导致材料更早断裂。
作者：	孙悦
专业：	材料科学与工程
导师：	赵玉涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文