温度和基体性能对复合材料残余应力的影响.doc

1、温度和基体性能对复合材料残余应力的影响摘要：温度和基体的性能对复合材料的残余应力有影响，本文利用ANSYS10.0软件对SiC/Ti-6Al-4V复合材料的残余应力进行数值模拟，建立了纤维体积分数为35%的二维四方排布有限元模型，采用控制单一变量法，分别研究了基体弹性模量和施加温度对复合材料残余应力的影响。结果表明：（1）基体弹性模量增大复合材料的径向和周向残余应力也增大。（2）在700下随着温度升高复合材料的径向和周向残余应力随着减小。研究结果为SiC纤维增强钛基复合材料的基体选择和工作温度提供了一定的依据。在选择基体合金的时候，基体的弹性模量应尽量小一点，这样就能在一定程度上降低残余应力的

2、大小。同时，也要尽可能材料的温度靠近无应力温度，因为温度越低残余应力越大。但是，这只是单从残余应力的角度考虑，在实际选择过程中，还需要综合考虑其他因素。关键词：钛基复合材料，有限元分析，基体性能，温度，残余应力Effects of temperatureand substrateon the performance of compositematerial residualstressAbstract：Performance of temperatureand substratehas an effect on theresidual stress of，composites this pap

3、er uses the ANSYS10.0 software tothe residual stress inthe SiC/Ti-6Al-4Vcomposite materialby numerical simulation established the fiber volume fraction of the finite element model of two dimensional square arrangement 35%, the control of a single variable method, Theeffect ofelastic modulus of matri

4、xand applying the temperatureonthe residual stress of composite materialswere studied respectively The resultsshow that: (1) the matrixelastic modulus ofcompositeradial andcircumferential residualstressincreases. (2) at 700 with the increase of temperaturecompositeradial andcircumferential residuals

5、tress with decreasing.The results of SiC fiber reinforced titanium matrix composites matrix selection provides a certain basis. In the choice ofmatrix alloy,the elastic modulusof matrixshould besmaller,which can reducethe size of the residual stressina certain extent. at the same time, at the same t

6、ime,as far as possible,the temperature of the materialnear thestress free temperature,becausethe lower the temperaturethe greater the residual stress. However,this is onlya singleresidualstressfrom thepoint of view,in the actualselection process,but also need to considerother factors.Keywords: titan

7、ium matrix composites, The finite element analysis,matrix properties,temperature,residual stress目 录1 绪论11.1 金属基复合材料的特点和分类11.2 金属基复合材料的研究现状和发展方向21.2.1 金属基复合材料在汽车领域的研究21.2.2 金属基复合材料在航空航天领域的研究21.2.3 金属基复合材料在民用行业中的应用与研究31.2.4 金属基复合材料的发展趋势31.3 钛基复合材料概述41.4 金属基复合材料中残余应力相关知识41.4.1 金属基复合材料中残余应力的产生41.4.2 金属基

8、复合材料残余应力对组织性能的影响. 41.4.3金属基复合材料残余应力的测量方法. .51.4.4 金属基复合材料中残余应力的影响因素 .7 1.4.5 钛基复合材料的残余应力 .9 1.5本课题研究的主要内容.9 2 有限单元法 .10 2.1有限单元法基本概念.10 2.2有限元模拟技术. 102.2.1 数值模拟技术在工程中的应用102.2.2 有限元单元法的一般过程112.3有限元软件. 122.3.1 有限元软件概述122.3.2 ANSYS软件概述133 复合材料残余应力的有限元分析 . 14 3.1 前言143.2 材料性能143.3 有限元模型的建立153.4 实验结果与分析1

9、63.4.1基体弹性模量对复合材料残余应力的影响163.4.2温度对复合材料残余应力的影响. 24结论与展望. 32参考文献33致谢35341 绪论1.1金属基复合材料的特点和分类与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。金属基复合材料性能特点有:高比强度、高模量、高韧性、高导热导电性、膨胀系数小、耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好等。金属基复合材料具有强大的综合性能，在外层空间结构以及一些工业领域中有广泛应用前景，因而继树脂基复合材料之后，掀起了对其研究开发的热潮

10、。目前，金属基复合材料（MMCs）作为材料的一个新兴领域已在航空航天系统，汽车系统及建筑等各个系统中得到广泛应用。金属基复合材料其特点在于有一个连续的金属或者合金基体，其它组元相则是均匀地分布在金属基体中。作为一种非均匀材料，金属基复合材料与传统的单一金属材料在损伤断裂机理、损伤破坏特征以及疲劳损伤的累积等诸多方面不尽相同，具体表现在以下几个方面3:（1）损伤断裂机理与金属材料不同。金属材料的破坏机理是：试件在开裂时常出现一条主裂纹，当裂纹扩展到某一临界值时会突然失稳破坏，所以这条裂纹控制着材料的最终破坏。而复合材料的破坏表现为构件在很大应力作用下发生严重损伤变形。根据研究表明：复合材料的损伤

11、形式多种多样，如纤维与基体界面的分离、纤维断裂、基体开裂以及纤维拔出;另一方面，复合材料在制备、加工和运输过程中，会不可避免地产生不同程度的缺陷，其力学性能呈现出复杂不规则分布。（2）裂纹的扩展是非共线的。裂纹在扩展过程中碰到纤维时，既可沿纤维，也可跨越纤维扩展;当遇到纤维界面时，倾向于损伤沿界面扩展，这种方式更利于使裂纹的扩展稳定下来。所以除少数层间裂纹在I型外力作用下会共线扩展外，多数裂纹扩展是复合型的。特别是对于层合结构而言，裂纹扩展是I型和H型的复合，并且常见I、H型与M型的混合状。（3）金属的疲劳寿命主要取决于裂纹起始寿命和扩展速率，而复合材料在交变载荷下有多种损伤形式，可能以一个为

12、主，也可能是多个形式共同控制的疲劳过程。因此，复合材料的疲劳没有金属材料那样具有明显的规律性。金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。由于这类复合材料加工温度高、工艺复杂、界面反应控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。当前最受航空界重视的金属基复合材料 是连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料，其次是碳化硅增强的钛铝金属间化合物基复合材料。1.2 金属基复合材料的研究现状与发展方向在航天航空工业及民用工业的推动下,金属

13、基复合材料的制备和成形制造工艺有了很大的进展。其研究热点主要围绕在轻金属和重金属合金基体材料方面。研究方向趋于加强对制备工艺的研究，加强对强化机制的研究，提高基体性能,进而提高复合材料的性能的研究。1.2.1金属基复合材料在汽车领域的研究 金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。由于铝合金、镁合金等是传统的轻质材料,随着汽车轻量化进程的不断推进和科学技术的日益进步,在汽车工业中采用铝合金、镁合金,要求具有良好的耐磨性、抗腐蚀性、耐热性和尺寸稳定性,并且要求质量更轻,强度、刚度更高，这就为铝基复合材料的发展提供了广阔的应用前景。活塞是发动机的主要零件之一。它在高温高压下工作,与活塞环、汽缸壁不断摩擦,工作环境恶劣。因此选择合适的活塞材料至关重要。日本丰田公司于1983年首次成功地用Al2O3/Al复合材料制备了发动机活塞,与原来铸铁发动机活塞相比,重量减轻了5%10%,导热性提高了4倍左右4。连杆是汽车发动机中继活塞之后第二个成功地应用金属基复合材料的例