用广义胞元法研究弱界面复合材料偏轴拉伸强度

本文用广义胞元法结合应力集中系数模型，从细观、宏观力学结合的角度，预测了弱界面复合材料偏轴拉伸强度值．用广义胞元法/高精度广义胞元法计算复合材料开裂前和开裂后的应力场，引入基体应力集中系数以得到基体真实应力．在计算真实应力时根据宏观试验现象考量是否对界面开裂后的复合材料进行刚度衰减，最终形成4种方案计算出复合材料的偏轴拉伸强度．通过对比芳纶纤维和亚麻纤维两种弱界面复合材料的偏轴拉伸强度试验值，找到了最可靠的预报方案并具有良好的预报精度．     

界面特性对短纤维金属基复合材料蠕变行为的影响

基于短纤维增强金属基复合材料(MMC)的单纤维三维模型(三相)，利用粘弹性有限元分析方法对影响金属基复合材料的蠕变行为的因素进行了较为系统的分析。研究中主要讨论了界面特性和纤维取向角对金属基复合材料的蠕变性能的影响。研究结果发现，界面特性诸如厚度、模量和应力指数都对纤维最大轴应力和稳定蠕变率产生影响：稳态蠕变率随界面模量的增大而逐渐减小，当高于基体模量时基本保持不变；纤维轴应力的变化与蠕变率正好相反。稳态蠕变率随界面厚度、应力指数的增加而增大；而轴应力则随之减小。同时不同的纤维取向也影响金属基复合材料蠕变时的轴应力分布和稳态蠕变率。     

颗粒填充复合材料强韧化效应的力学分析

颗粒填充复合材料中基体微损伤形式对材料韧性产生决定性影响。本文通过二相或三相材料中基体应力分布的分析计算，结合损伤萌生的力学条件，对颗粒填充的强韧化效应作出定性分析。计算结果表明，若颗粒刚度高于基体，随着颗粒模量的提高，开裂与银纹趋势逐步增强，由此可知单纯使用硬粒子填充难以实现增韧，但若粒子与基体间有柔性界面相存在，基体屈服趋势将随界面厚度迅速增长，它将在损伤引发机制的竞争中占据优势，成为损伤的主导形式，并由此可成功地实现材料的强韧化。     

含空心球涂层粒子复合材料界面的脱粘应力分析

在球对称拉伸载荷作用下针对空心球涂层复合材料分析了空心球涂层粒子增强复合材料的局部应力场，得到了界面临界脱粘应力的解析表达式．讨论了各相几何参数对非均匀涂层空心球粒子临界脱粘应力的影响，比较了均匀涂层和非均匀涂层的脱粘应力．结果表明：在球对称拉伸下界面脱粘更容易发生在涂层相与基体相界面间，空心球的壁厚和涂层厚度是影响界面临界脱粘应力的重要因素，因而选择适当的空心球、涂层厚度和提高界面粘结能将有利于提高界面的临界脱粘应力．     

无限介质中单个纳米涂层夹杂反平面问题的两个模型

采用零厚度界面模型和界面层模型研究了无限介质中单个纳米涂层圆柱形夹杂的反平面问题，利用复变函数方法获得了两种模型夹杂、涂层和基体内应力场的封闭解析解．研究表明，当界面层模型中的界面相厚度趋于零时，界面层模型可以解析地退化为零厚度界面模型．数值算例分析了界面模量不同取值时应力场的分布和应力的尺度依赖性．本文结果丰富了对纳米夹杂力学行为的认识，并可为直接采用零厚度界面模型有困难的纳米夹杂问题的研究提供有价值的参考．     

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的细观强度分析

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的失效主要有界面脱粘、增强粒子开裂等新的细观结构损伤机制。为了减小这些不足并对细观失效过程有一个清晰的了解,近来人们对金属基复合材料进行了大量研究,在此基础上,本文用细观力学的方法和损伤模型研究了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的强度和损伤失效。为了计算方便,陶瓷颗粒简化为在复合材料中随机分布的椭球形粒子,然后以二相胞元模型计算分析了金属基体、颗粒中的应力应变分布情况,结果表明,基体中应力极不均匀,界面区存在应力集中,并计算了界面弧形裂纹扩展时的能量。最后分别提出了基体,颗粒和界面的失效强度准则,本文结果对于颗粒增强金属基复合材料具有普遍的实用性。     

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用。由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞。采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层。当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能趋于定值。根据单胞内的基体、界面相和夹杂的几何外形特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在各组分的相邻界面应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而根据平均场理论确定复合材料有效模量。主要探讨了夹杂体积分数、各组分模量、功能梯度界面相的模量渐变形式等因素对纤维增强复合材料性能的影响。结果表明：不管基体模量相对于夹杂模量是大还是小,都有对应的界面相模量渐变形式可使夹杂周围的等效应力集中系数减小;另外还发现仅当夹杂模量较大时,功能梯度界面相模量的变化方式对复合材料有效模量产生不可忽视的影响。     

2124 Al/SiC_p复合材料的动态变形行为及微结构效应

研究了在动态压缩时２１２４Ａｌ／ＳｉＣｐ复合材料的变形行为与微结构效应．分析结果表明，对于给定材料，复合材料的流动应力主要取决于微结构尺度效应．若增强相尺寸，基体晶粒尺寸以及增强相间距三者大小相当，则复合材料的流动应力取决于增强相的分散程度和位错密度；若增强相尺寸及其间距大小相当，但比基体晶粒大得多，那复合材料的流动应力主要取决于增强相的分散度．微观观测发现在同样加载条件下，变形局部化更容易在含较小碳化硅颗粒的复合材料内形成；变形区内的微损伤几乎都是基体与粒子界面脱粘和粒子角点邻近的微裂纹．对于所研究的这类复合材料，弹性模量及应变硬化几乎不受增强颗粒尺寸影响．     

基于界面端奇异性理论的单纤维拔出试验的试件设计

在单纤维拔出试验中，由于试件的界面端存在应力奇异性，这使试验所得到的界面剪切强度数据失去合理性[1]。但从文献[1]关于微珠脱粘试验研究的结论中可以发现当基体的楔形角小于某临界角度后，微珠试件界面端应力奇异性几乎消失。由此启发我们设计出一种楔形角小于该纤维／基体系统临界角的锥面的拔出试件，这样即可以防止出现传统拔出试件在界面端的强应力奇异性，又可以避免微珠脱粘试验自身的缺陷。界面端具有任意楔形角的轴对称模型被用于分析和确定纤维／基体系统的临界角，对方程进行渐近展开和分离变量处理，根据边界条件可以得到关于特征值λ的特征方程，针对确定的纤维／基体系统可以得到特征值和楔形角的关系曲线，我们把应力奇异性指数等于-0．005时所对应的楔形角定义为临界角，以及根据临界角设计锥面拔出试件的方法。     

弹塑性材料中孔洞成核、发展及应力场

采用Bermin的孔洞成核的局部应力准则以及Euler坐标系下大应变有限元方法,分析了平面应变条件下二相粒子与基体在三种不同的界面结合强度下的宏观材料的力学行为.     

金属材料脆性断裂机理的实验研究

材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明:韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。     

Influences of particle size and interface energy on the stress concentration induced by the oblate spheroidal particle and the void nucleation mechanism

Separation of the particle–matrix interface and breakage of the second-phase particle are two main void nucleation mechanisms, which are directly associated with the stress concentration factors (SCFs) at the interface and within the particle, respectively. This work investigates the coupled effects of particle size and particle shape on these stress concentrations by solving an infinite solid containing an oblate spheroidal particle under remote stress boundary condition. The phenomenological strain plasticity theory by Fleck–Hutchinson [Fleck, N.A., Hutchinson, J.W., 1997. Strain gradient plasticity. In: Hutchinson, J.W., Wu, T.Y. (Eds.), Advance in Applied Mechanics, vol. 33. Academic Press, New York, pp. 295–361] is adopted to capture the size effect, various particle aspect ratios are considered to depict the particle shape effect and an interfacial energy concept is introduced to settle the double-traction equilibrium problem at the matrix–particle interface. By using a Ritz procedure, solutions about the stress concentrations are numerically achieved and three main results are found. First, the interfacial normal stress near the particle pole, the interfacial shear stress and the particle opening stress are dramatically elevated and their distributions are significantly modified by decrease in the particle size. Second, this particle size effect is influenced by the remote effective strain, remote stress triaxiality and the interfacial energy to different extent. Finally, the particle shape effect is coupled with this particle size effect, and the more oblate the particle is, the more significant the size effect on SCF elevation is. These findings are helpful for us to understand deeply the void nucleation mechanism at the micron scale.     

含界面效应纳米尺度圆环形涂层中螺型位错分析

研究了纳米尺度圆环形涂层(界面层)中螺型位错与圆形夹杂以及无限大基体材料的干涉效应.涂层与夹杂的界面和涂层与基体的界面均考虑界面应力效应.运用复势方法,获得了三个区域复势函数的解析解答.利用求得的应力场和Peach-Koehler公式,得到了作用在螺型位错上位错力的精确表达式.主要讨论了界面应力对涂层(界面层)中螺型位错运动和平衡稳定的影响规律.结果表明,界面应力对界面附近位错的运动有大的影响,由于界面应力的存在,可以改变涂层内位错与夹杂/基体干涉的引斥规律,并使位错在涂层内部产生三个稳定或非稳定的平衡点.考虑界面效应后,有一个额外的排斥力或吸引力作用在位错上,使原有的位错力增加或减小.     

金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响

基于SiC／Al基复合材料中的SiC颗粒周期性排布的假设,采用轴对称体胞方法研究了金属基复合材料中的热残余应变场与粒子形状、体积分数等参数间的内在联系;在此基础上,探讨了热残余应变对夹杂内部和基体—夹杂界面的应力集中因子的影响．所得结果对于理解热残余应变对空洞形核的影响有参考价值。     

Effective elastic moduli of composites reinforced by particle or fiber with an inhomogeneous interphase

The solution of the strain energy change of an infinite matrix due to the presence of one spherical particle or cylindrical fiber surrounded by an inhomogeneous interphase is the basis of solving effective elastic moduli of corresponding composites based on various micromechanics models. In order to find out the strain energy change, the composite sphere or cylinder, i.e., the spherical particle or cylindrical fiber together with its interphase, is replaced by an effective homogeneous particle or fiber. Independent governing differential equations for each modulus of the effective particle or fiber are derived by extending the replacement method [J. Mech. Phys. Solids 12 (1964) 199]. As far as the strain energy changes of the infinite matrix subjected to various far-field stress systems are concerned, the present model is simple. Meanwhile, FEM analysis is carried out for a verification, which shows that the model can lead to rather accurate results for most practical interphases. Besides, to check the validity of the model further when the interactions among composite cylinders exist, the two problems of an infinite matrix containing two composite cylinders and the effective moduli of composites with the equilateral triangular distribution of composite cylinders are analyzed using FEM. The FEM results show that the model is still rather accurate, especially for the case of interphase properties varying between those of fiber and matrix. Therefore, composite spheres or cylinders are assumed as the effective homogeneous particles or fibers and simple expressions of the effective moduli of composites containing the composite spheres or cylinders are obtained. Furthermore, the present model is compared with some existing models that are based on very complicated derivations.     

非理想界面对三相复合材料应力场的影响

对非理想界面的三相复合材料,提出了计算弹性应力场的微观力学模型,在适当的简化假设下,对带界相的颗粒增强和纤维增强复合材料,得到了应力场的计算公式。以剪切载荷为例给出了数值例子。给出的数值结果表明非理想界面对三相复合材料应力场的影响。     

Size-dependent effective elastic moduli of particulate composites with interfacial displacement and traction discontinuities

This work aims at estimating the size-dependent effective elastic moduli of particulate composites in which both the interfacial displacement and traction discontinuities occur. To this end, the interfacial discontinuity relations derived from the replacement of a thin uniform interphase layer between two dissimilar materials by an imperfect interface are reformulated so as to considerably simplify the characteristic expressions of a general elastic imperfect model which is adopted in the present work and include the widely used Gurtin–Murdoch and spring-layer interface models as particular cases. The elastic fields in an infinite body made of a matrix containing an imperfectly bonded spherical particle and subjected to arbitrary remote uniform strain boundary conditions are then provided in an exact, coordinate-free and compact way. With the aid of these results, the elastic properties of a perfectly bonded spherical particle energetically equivalent to an imperfectly bonded one in an infinite matrix are determined. The estimates for the effective bulk and shear moduli of isotropic particulate composites are finally obtained by using the generalized self-consistent scheme and discussed through numerical examples.     

椭圆颗粒在剪切流中旋转特性的数值研究

研究颗粒在流体剪切作用下的运动特性是理解和预测颗粒悬浮流流动行为的关键.当流体的惯性不能忽略时,颗粒的运动往往变得非常复杂.本文采用格子Boltzmann方法对中等雷诺数下椭圆颗粒在剪切流中的旋转运动进行了模拟.首先,研究了雷诺数(0Re 170)的影响,结果表明当雷诺数低于临界值时,颗粒以周期性的方式旋转,角速度最小时对应的长轴方向随着雷诺数的增大而逐渐远离水平方向,而且这一倾角与雷诺数呈分段线性关系;当雷诺数大于临界值时,椭圆形颗粒最终保持静止状态,且静止时的转角与雷诺数呈幂函数关系,雷诺数越大,转角越小,椭圆的长轴越远离水平位置.其次,研究了椭圆颗粒的长短轴之比α(1α10)的影响,结果表明颗粒旋转的周期与α呈幂函数关系,α越大,颗粒旋转周期越小.此外,当α超过临界值时,颗粒也在水平位置附近保持静止状态,此时的转角与α也呈幂函数关系,α越大,转角越小.研究还发现,当雷诺数较大时椭圆颗粒在旋转过程中会产生过冲现象.