李凡國(guó),于思榮,初宏超,韓曉玲

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580；2. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266427)

漂珠/AZ91D復(fù)合材料界面斷裂數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

李凡國(guó)1,2,于思榮1,初宏超1,韓曉玲2

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580；2. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266427)

基于代表性體積元的細(xì)觀力學(xué)有限元方法，建立了三種有限元模型，預(yù)測(cè)漂珠/AZ91D復(fù)合材料界面斷裂的傾向，對(duì)漂珠/AZ91D復(fù)合材料進(jìn)行壓縮斷裂實(shí)驗(yàn)，與模擬結(jié)果相比較。結(jié)果表明，復(fù)合材料斷裂裂紋可能最先出現(xiàn)在漂珠壁上；多顆粒均勻隨機(jī)分布的模型更能夠從復(fù)合材料整體上判斷出斷裂損傷的趨勢(shì)；三維模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。

鎂基復(fù)合材料；漂珠；代表性體積元；數(shù)值模擬

0 引言

漂珠是從電廠廢料中提取出來(lái)的輕質(zhì)空心微珠，主要特性是分散性和流動(dòng)性好、耐高溫、電絕緣、耐磨性強(qiáng)、無(wú)毒、抗壓強(qiáng)度高、保溫、隔音且導(dǎo)熱系數(shù)小[1-3]，其主要成分是SiO2和Al2O3。漂珠-鋁基復(fù)合材料目前研究較多，美國(guó)密爾沃基大學(xué)研究認(rèn)為, 空心微珠的加入，能顯著降低材料的密度和熱膨脹系數(shù)，提高抗磨性能[4]。江西理工大學(xué)的羅燕[5]曾研究了漂珠-鋁基復(fù)合材料彈塑性性能。但對(duì)于漂珠-鎂基復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)數(shù)值模擬，目前還未見(jiàn)報(bào)道。漂珠和鋁不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但漂珠中的SiO2在熔融狀態(tài)下和Mg基體生成新相Mg2Si，形成界面層，給數(shù)值模擬帶來(lái)了一定的難度。

本文擬采用數(shù)值模擬的方法對(duì)漂珠-鎂基復(fù)合材料的斷裂性能進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。通過(guò)將應(yīng)用于復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)上的“代表性體積元（Representative Volume Element：RVE）”, 對(duì) RVE的應(yīng)力進(jìn)行有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)出復(fù)合材料的斷裂性能。然后對(duì)實(shí)驗(yàn)制備的漂珠-鎂基復(fù)合材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

1 漂珠-鎂基復(fù)合材料制備

本試驗(yàn)所用的材料為漂珠和AZ91D合金鑄錠。漂珠（fl y ash cenophere, FAC），具有輕質(zhì)、耐火、隔熱和耐磨等性質(zhì)，是火電廠的副產(chǎn)品。每年我國(guó)火電站漂珠排放量超過(guò)1.5億噸，來(lái)源廣泛。漂珠的SEM形貌如圖1所示。試驗(yàn)選用山西華盛鎂業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的商用AZ91D鎂合金作為復(fù)合材料的基體，鑄態(tài)組織主要由α-Mg和β-Mg17Al12兩相構(gòu)成。向熔融狀態(tài)下的AZ91D鎂合金中緩慢添加漂珠顆粒，漂珠中的SiO2在高溫下和Mg發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了增強(qiáng)相Mg2Si，Mg2Si主要聚集在漂珠壁上。漂珠-AZ91D復(fù)合材料金相組織如圖2所示。

圖1 漂珠SEM形貌

圖2 漂珠復(fù)合材料金相組織

2 有限元模擬

2.1 二維單胞模型

因?yàn)閺?fù)合材料具有統(tǒng)計(jì)性微結(jié)構(gòu)分布，所以把復(fù)合材料假設(shè)為于理想的增強(qiáng)相周期分布，隔離出代表性體積元（RVE），把整個(gè)復(fù)合材料體看成是由RVE周期性排列而構(gòu)成的。當(dāng)承受均勻的外載荷時(shí)，因?yàn)樗械腞VE都表現(xiàn)出相似的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，可以用一個(gè)RVE中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)來(lái)反映復(fù)合材料體的細(xì)觀應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。圖3為復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)單胞模型，即代表性體積元。

圖3 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)單胞模型

二維結(jié)構(gòu)中假設(shè)界面厚度均勻分布，采用有限元軟件Hyperworks，施加載荷后分析。復(fù)合材料應(yīng)力分布、漂珠壁應(yīng)力分布及界面應(yīng)力分布分別如圖4、圖5和圖6所示。由于考慮界面厚度均勻，比較理想化，所以界面處的應(yīng)力小于漂珠壁，漂珠壁的應(yīng)力在復(fù)合材料中是最大的。

圖4 考慮界面的復(fù)合材料二維應(yīng)力分布

圖5 考慮界面的漂珠壁應(yīng)力分布

圖6 界面的應(yīng)力分布

圖7 復(fù)合材料三維應(yīng)力分布

2.2 三維立體單胞模型

假設(shè)漂珠壁不破裂，圖7為建立的復(fù)合材料三維單胞模型在施加載荷后的應(yīng)力分布圖，漂珠壁應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 漂珠壁應(yīng)力分布

圖9 基體應(yīng)力分布

三維模擬后發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料的最大應(yīng)力發(fā)生在漂珠壁和基體上，當(dāng)施加過(guò)大載荷后，漂珠壁和基體都有可能發(fā)生破裂；但鑒于漂珠壁大部分區(qū)域應(yīng)力很大，可能漂珠壁會(huì)有較大可能破裂，而基體只是出現(xiàn)較小裂紋。

2.3 多顆粒均勻隨機(jī)分布模型

為了更準(zhǔn)確表達(dá)出復(fù)合材料模型，圖10為建立的多顆粒均勻隨機(jī)分布模型，應(yīng)力分布如圖11所示。

圖10 多顆粒均勻隨機(jī)分布復(fù)合材料模型

圖11 多顆粒均勻隨機(jī)分布復(fù)合材料的應(yīng)力分布

從圖11中可以看出，復(fù)合材料損傷首先發(fā)生在顆粒晶界處沿變形軸向位置和應(yīng)變集中的顆粒聚集的基體附近，隨著變形增加損傷會(huì)向基體中擴(kuò)展，最終形成帶狀損傷區(qū)域而使復(fù)合材料斷裂。

3 壓縮斷裂試驗(yàn)

從圖12中看出，復(fù)合材料斷口為解離斷口，說(shuō)明該復(fù)合材料是脆性斷裂。斷口內(nèi)有漂珠壁破裂，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖12 復(fù)合材料斷口SEM形貌

4 結(jié)論

（1）對(duì)漂珠-AZ91D復(fù)合材料建立三種有限元模型，其中三維模型計(jì)算結(jié)果高于二維模型計(jì)算結(jié)果對(duì)于中空漂珠而言，裂紋可能最先出現(xiàn)在漂珠壁上;（2）多顆粒均勻隨機(jī)分布的模型更能夠從復(fù)合材料整體上判斷出斷裂損傷的趨勢(shì);（3）三維模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。

[1] 汪正興, 翁巍, 馬乃恒. 鋁基空心微珠復(fù)合材料的阻尼性能[J]．熱加工工藝. 2009,38(10): 128-130.

[2] Huang Z.Q, Yu S.R. Microstructure characterization on the formation of in situ Mg2Si and MgO reinforcements in AZ91D/ Fly ash composites [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509(2):311-315.

[3] R Q GUO, P K rohatgi. Chemical reactions between aluminum and fl y ash during synthesis and reheating of Al-fl y ash composite[J]. Metallurgical and Materials Transactions, 1998,29(3): 519-525.

[4] R Q Guo, D Venugopalan, P K Rohatgi. Differential thermal analysis to estability of aluminum-fly ash composites during synthesis and reheating[J].Materals Science and Engineering, 1998, A241: 184-190.

[5] 羅燕，龍文元，潘美滿，等.空心微珠增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料彈塑性性能的模擬預(yù)測(cè)[J].鑄造技術(shù),2010,31(11):1435-1438.

Numerical simulation on Fly-ash cenospheres/AZ91D composites interface

LI FanGuo1,2,YU SiRong1,CHU HongChao1,2, HAN XiaoLing2
（1.China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong,China；2.Qingdao Harbor and Vocational Technical College，Qingdao，266427,Shandong,China）

The interface fracture tendency of FAC/AZ91D composite is predicted by establishing three kinds of fi nite element models , using the micromechanics fi nite element simulations on the base of representative volume element. Comparing with the simulation results, the FAC /AZ91D composite compression fracture experiment was made. The results show that the composite crack may appear fi rstly at the wall of the cenospheres; multi-uniform particles randomly distributed model can from the overall composite judge the trend of damage and fracture, three-dimensional simulation is closer to the experimental results.

magnesium matrix composite；fly-ash cenosphere(FAC)；representative volume element；numerical simulation

TB333；

A；

1006-9658（2017）02-0001-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.001

教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目“漂珠/鎂合金復(fù)合材料的界面及力學(xué)行為機(jī)理研究”（313056）

2016-08-08

稿件編號(hào):1608-1460

李凡國(guó)（1978—），男，在讀博士，副教授,研究方向：金屬基復(fù)合材料.