金属基复合材料与搅拌摩擦焊课题组-中国科学院金属研究所
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颗粒增强金属基复合材料的三维数字材料模型与多尺度模拟
2019-10-24  |          【 】【打印】【关闭

  颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)的数字材料模型是建立其多尺度模拟仿真的必要基础。建立数字材料模型的传统方法是三维CT扫描法和金相切片重构法。前者设备昂贵,且空间理论分辨率仅为1-2μm;后者耗时耗力,分辨率有限,所重构出的模型尺寸仅为~10μm级别,此外,由于增强相的实际分布存在不均匀性,在~10μm空间内增强相实际体积分数与理论体积分数不一致。此外,这两种方法不能生成虚拟结构用于探索未知新型结构。针对传统方法的不足,本项研究提出了建立PRMMC数字材料模型的计算机模拟新方法,在构建PRMMC的大尺寸逼真数字材料模型方面取得了突破,方法具有可控性、灵活性和高效性,可生成虚拟结构。所构建的PRMMC数字材料模型的定量金相统计分析结果与实验非常吻合,见图一,为后续PRMMC多尺度模拟仿真奠定了坚实基础。相关研究工作发表于Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 22 (2014) 035010。

  对PRMMC宏观性能进行计算机预测是其多尺度模拟仿真的重要问题。基于逼真数字材料模型,进一步建立了PRMMC宏观等效性能预测的计算均匀化模型。研究发现:第一,单胞结构模型会严重低估等效热膨胀系数和泊松比,高估等效杨氏模量和等向硬化函数;第二,采用小尺寸逼真数字材料模型同样存在较大误差(但小于单胞结构模型的误差),精确计算PRMMC宏观性能需采用大尺寸逼真数字材料模型;第三,计算等效等向硬化函数时,逼真数字材料模型的尺寸选取取决于与温度和等效塑性应变的大小;第四,实际应用过程中,可均衡计算精度和效率,选取合适尺寸的逼真数字材料模型。相关系列研究工作发表于Compos. Struct., 113 (2014) 459、J. Mater. Sci. Technol.34 (2018) 627、Mech. Mater. 122 (2018) 96和Compos. Struct. 226 (2019)111281。

图1 颗粒增强金属基复合材料微观结构(RVE)建模:(a)3D逼真模拟微观结构,模型边长450 μm,(b)2D截面,(c)实际复合材料的金相结构;微观结构的定量金相分析直方图对比,包括(d)颗粒面积、(e)长径比和(f)颗粒直径。


图2 解析模型、单胞模型和逼真RVE模型预测的复合材料性能与实测性能对比:(a)杨氏模量,(b)泊松比,(c)热膨胀系数,(d)硬化函数。

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