金属玻璃基复合材料的变形行为及本构关系研究综述

金属玻璃及其复合材料因其优良的力学性能而具有良好的应用前景,相关研究方兴未艾.本文主要总结国内外的研究成果并结合本课题组的最新研究工作,针对块体金属玻璃基复合材料的变形行为、增韧机理和本构关系研究现状进行较为全面的综述.首先,对近几十年来在块体金属玻璃基体材料的变形行为与失效机理以及本构关系研究方面的丰硕成果进行简要回顾.其次,从实验研究和数值模拟两方面,重点对金属玻璃基复合材料的变形行为与失效机理研究成果进行介绍,总结了金属玻璃基复合材料的塑性变形、增韧机理及影响因素.然后,对金属玻璃基复合材料的本构关系研究最新进展进行评述,重点介绍了均匀化方法在该领域的应用.作为代表,较为详细地介绍了作者新近提出的一个二次均匀化的方法,并在此基础上,结合纳米孔洞作为自变量的失效判据而建立了本构模型,该模型对金属玻璃基复合材料的变形和失效行为进行了合理预测.最后,对该领域的研究现状进行简单的总结,并对未来的研究问题进行展望.     

静水应力对金属玻璃变形和破坏的影响

论文考虑自由体积、热和静水应力等因素对材料变形和破坏的影响,推导了块体金属玻璃的三维热力耦合本构模型,并引入临界自由体积浓度的材料破坏准则.将相应本构模型和破坏准则写入LS-DYNA软件的用户自定义材料子程序(UMAT)中,开展了针对金属玻璃在不同变形条件下的有限元模拟研究,分析材料内部物理参量的演化特性及其所导致的材料宏观表象.分析显示,静水应力对金属玻璃的力学行为具有重要影响,导致材料的变形和破坏呈现出显著的拉压不对称特征.     

块体金属玻璃力学行为有限元模拟研究进展

块体金属玻璃材料具有重要的科学和应用价值,受到国际学术界的广泛重视,针对其力学行为的有限元模拟也逐渐成为研究热点.本文综述了模拟块体金属玻璃力学行为的有限元方法研究现状,包括材料本构模型以及有限元建模等方面的发展,最后给出相关工作建议.     

块体金属玻璃压缩变形和破坏特性的有限元模拟研究

论文通过LS-DYNA软件的用户自定义材料子程序(UMAT),将考虑自由体积、热以及静水应力影响的三维热力耦合本构模型编写入有限元软件中.同时考虑金属玻璃材料内部结构的不均匀性,建立了包含随机分布剪切带弱区的有限元模型.在此基础上开展了针对块体金属玻璃在准静态压缩和弯曲条件下的有限元模拟研究,具体分析材料的非均匀变形和破坏特性,并特别研究了相应的剪切带行为,包括剪切带的形核、传播以及剪切带诱导的断裂等.     

块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切特性和侵彻/穿甲“自锐”行为

块体金属玻璃及其复合材料以其优异的力学、物理和化学性能, 正成为国内外科技和工程领域的研究热点. 特别是金属玻璃复合材料具有高剪切敏感性和剪切``自锐'特性, 使其有可能成为新型穿甲弹芯材料, 因而具有重要的军事意义. 本文综述了针对块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切变形和断裂特性及高速冲击、侵彻/穿甲过程中剪切``自锐'行为等方面的研究进展, 包括相关实验研究、理论分析及有限元模拟等, 最后给出未来相关工作的一些建议.      

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料,金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣.金属玻璃结构与性能的关系表明,金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关.然而,宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰.与传统金属材料不同,金属玻璃的变形机理非常复杂.应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段,从而探索结构和动态非均匀性.本研究以La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃为模型体系,在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为.研究结果表明,与传统金属玻璃不同,La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃具有明显的β弛豫行为.基于Kohlarausch-Willams-Watts(KWW)方程的分析表明,金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程;热动力学分析发现La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为,即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为,向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变.通过激活能谱模型分析表明,应力松弛单元的激活并非均匀,而是存在能量上的起伏,金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程,具有动力学不均匀性.本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联,为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.     

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料, 金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣. 金属玻璃结构与性能的关系表明, 金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关. 然而, 宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰. 与传统金属材料不同, 金属玻璃的变形机理非常复杂. 应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段, 从而探索结构和动态非均匀性. 本研究以La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃为模型体系, 在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为. 研究结果表明, 与传统金属玻璃不同, La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃具有明显的β弛豫行为. 基于Kohlarausch-Willams-Watts (KWW)方程的分析表明, 金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程; 热动力学分析发现La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为, 即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为, 向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变. 通过激活能谱模型分析表明, 应力松弛单元的激活并非均匀, 而是存在能量上的起伏, 金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程, 具有动力学不均匀性. 本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联, 为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.      

纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳研究进展

纤维增强树脂基复合材料结构在工程应用中常常承受复杂载荷的作用, 从而使材料处于多轴循环应力条件下. 为了更加合理地进行复合材料结构设计, 必须对复合材料多轴疲劳行为进行深入的研究, 建立比较理想的复合材料疲劳寿命预测模型. 首先简单回顾了复合材料单轴疲劳损伤判据及其寿命预测模型, 然后结合作者的研究结果, 总结了近年来国内外纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳理论的研究成果, 对各种失效准则、疲劳寿命预测模型进行了较为深入的分析, 指出了它们各自的特点及其存在的问题, 并对复合材料多轴疲劳理论的研究趋势作出了展望. 最后, 对目前常用的复合材料多轴疲劳实验方法进行了总结, 并指出了各种方法的优缺点及其实验中存在的困难.      

机织复合材料的本构关系与成形性研究

对机织复合材料的成形性研究文献进行综述.首先介绍了纺织复合材料的种类、力学和物理特性及其工业背景.接着,从实验、理论、计算3个方面概述了目前对平纹机织复合材料的成形性以及工业冲压技术研究的进展.对于平纹机织复合材料,剪切变形是最主要的变形形式,其本构关系具有非线性的特征.通过对材料样品纯剪切行为的观测,发现了相应的皱曲现象并引入了``锁定角'的概念.大量的实验研究了材料在工业冲压中的可能出现的变形模式及其对皱曲的影响.随后,从理论上介绍了对材料本构关系(包含了拉、压、剪)的系统性模拟,以及冲压过程中有限元数值计算方面的进展.材料的成形性还受到冲压温度、模具对材料的压力、模具与材料表面的摩擦等多种因素的影响.文章对这些问题的研究一一作了简要的介绍,其中许多研究工作不仅得到了重要的结论,还开创了相关课题研究的先河,受到了人们的普遍关注.文章的最后,在总结前人成果的基础上讨论了今后的研究方向,并对该领域的发展作了展望.      

砌体复合剪压受力特性与数值分析方法

 从砌体细观结构出发，提出了用于砌体复合剪压受力过程模拟的细观力学 模型. 该模型假定砌体是由砂浆、块体及两者之间的粘结带组成的三相复合材料，以此为基 础对砌体三相组成的非均匀性予以表征. 提出了基于弹性损伤力学的本构关系，以最大拉应 力准则和摩尔库仑准则作为损伤发生的阈值，并借助复合材料破坏过程分析(MFPA)程序进 行受力分析. 结果表明，所采用的数值模型和模拟方法能够较好地模拟砌体复合剪压受力破 坏过程，为砌体开裂过程的机理分析提供了一种新的数值方法.     

高超声速飞行器两类典型防热材料的性能表征与评价

针对高超声速飞行器翼前缘用超高温陶瓷材料及机身大面积金属热防护结构材料在高温环境下的力学响应分析与评价方法进行了全面的回顾和总结.综述了大面积金属热防护系统在传热、静力学、热力耦合性能、疲劳性能及抗冲击性能等方面国内外的研究进展;以及超高温陶瓷材料在热冲击、增韧机制、抗氧化性能等方面评价与表征技术,并结合国内研究状况展望了今后的发展方向.      

Thermomechanical properties of smart composites

The smart composite materials reinforced by SMA show a high performance and special deformation behavior. The thermomechanical constitutive formulas of the composites are derived by means of Eshelby's equivalent inclusion method and Mori-Tanaka's mean field concept. The interaction between the inclusion and crack and toughening mechanism are considered and the energy release rate of a crack in the smart composite is calculated. This work shows that there are the multiple mechanisms contributing to the toughening of the smart composite materials reinforced by SMA.This project is supported by the National Natural Science Foundation of China.     

兼具基体蠕变和轻度界面蠕变的复合材料的本构特性

金属基复合材料的基体蠕变特性在一定的温度与应力下表现明显，当界面为非理想并具有粘弹性性质时，其对复合材料的整体蠕变亦有重要影响．本文利用具有非理想界面的复合材料的Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法，研究了既具有基体蠕变又具有界面轻度蠕变的复合材料的本构关系，给出了各微结构参量对复合材料整体蠕变特性的影响     

金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述

金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中,总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。     

兼具基体蠕变和轻度界面蠕变的复合材料的本构特性

金属基复合材料的基体蠕变特性在一定的温度与应力下表现明显，当界面为非理想并具有粘弹性性质时，其对复合材料的整体蠕变亦有重要影响．本文利用具有非理想界面的复合材料的Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法，研究了既具有基体蠕变又具有界面轻度蠕变的复合材料的本构关系，给出了各微结构参量对复合材料整体蠕变特性的影响     

纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能,探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型,分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤;建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层;编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板,SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优,其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好,表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层;SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

纤维增强脆性复合材料细观力学若干进展

纤维复合材料本身具有强烈的结构特性,是一种多相体材料.其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能,同时也取决于细观结构特征,采用细观力学分析建立材料宏观力学性能与材料各组分性能以及细观结构参数之间的内在联系是材料科学发展的新趋势.本文结合作者的研究课题综述了纤维增强脆性材料(主要是纤维混凝土)细观机理的部分研究进展,并对这一学科的发展趋势进行了简要地评价与展望.