漂珠/AZ91D復合材料界面斷裂數值模擬預測

李凡國,于思榮,初宏超,韓曉玲

(1. 中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島 266580；2. 青島港灣職業技術學院，山東青島 266427)

漂珠/AZ91D復合材料界面斷裂數值模擬預測

李凡國1,2,于思榮1,初宏超1,韓曉玲2

(1. 中國石油大學(華東)機電工程學院，山東青島 266580；2. 青島港灣職業技術學院，山東青島 266427)

基于代表性體積元的細觀力學有限元方法，建立了三種有限元模型，預測漂珠/AZ91D復合材料界面斷裂的傾向，對漂珠/AZ91D復合材料進行壓縮斷裂實驗，與模擬結果相比較。結果表明，復合材料斷裂裂紋可能最先出現在漂珠壁上；多顆粒均勻隨機分布的模型更能夠從復合材料整體上判斷出斷裂損傷的趨勢；三維模擬結果和實驗結果更加接近。

鎂基復合材料；漂珠；代表性體積元；數值模擬

0 引言

漂珠是從電廠廢料中提取出來的輕質空心微珠，主要特性是分散性和流動性好、耐高溫、電絕緣、耐磨性強、無毒、抗壓強度高、保溫、隔音且導熱系數小[1-3]，其主要成分是SiO2和Al2O3。漂珠-鋁基復合材料目前研究較多，美國密爾沃基大學研究認為, 空心微珠的加入，能顯著降低材料的密度和熱膨脹系數，提高抗磨性能[4]。江西理工大學的羅燕[5]曾研究了漂珠-鋁基復合材料彈塑性性能。但對于漂珠-鎂基復合材料細觀力學數值模擬，目前還未見報道。漂珠和鋁不發生化學反應，但漂珠中的SiO2在熔融狀態下和Mg基體生成新相Mg2Si，形成界面層，給數值模擬帶來了一定的難度。

本文擬采用數值模擬的方法對漂珠-鎂基復合材料的斷裂性能進行預測研究。通過將應用于復合材料細觀結構上的“代表性體積元（Representative Volume Element：RVE）”, 對 RVE的應力進行有限元計算，預測出復合材料的斷裂性能。然后對實驗制備的漂珠-鎂基復合材料進行壓縮試驗，驗證數值模擬的準確性。

1 漂珠-鎂基復合材料制備

本試驗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、耐火、隔熱和耐磨等性質，是火電廠的副產品。每年我國火電站漂珠排放量超過1.5億噸，來源廣泛。漂珠的SEM形貌如圖1所示。試驗選用山西華盛鎂業股份有限公司生產的商用AZ91D鎂合金作為復合材料的基體，鑄態組織主要由α-Mg和β-Mg17Al12兩相構成。向熔融狀態下的AZ91D鎂合金中緩慢添加漂珠顆粒，漂珠中的SiO2在高溫下和Mg發生化學反應生成了增強相Mg2Si，Mg2Si主要聚集在漂珠壁上。漂珠-AZ91D復合材料金相組織如圖2所示。

圖1 漂珠SEM形貌

圖2 漂珠復合材料金相組織

2 有限元模擬

2.1 二維單胞模型

因為復合材料具有統計性微結構分布，所以把復合材料假設為于理想的增強相周期分布，隔離出代表性體積元（RVE），把整個復合材料體看成是由RVE周期性排列而構成的。當承受均勻的外載荷時，因為所有的RVE都表現出相似的應力應變場，可以用一個RVE中的應力應變場來反映復合材料體的細觀應力應變場。圖3為復合材料的細觀力學單胞模型，即代表性體積元。

圖3 復合材料細觀力學單胞模型

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

圖4 考慮界面的復合材料二維應力分布

圖5 考慮界面的漂珠壁應力分布

圖6 界面的應力分布

圖7 復合材料三維應力分布

2.2 三維立體單胞模型

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

圖8 漂珠壁應力分布

圖9 基體應力分布

三維模擬后發現：復合材料的最大應力發生在漂珠壁和基體上，當施加過大載荷后，漂珠壁和基體都有可能發生破裂；但鑒于漂珠壁大部分區域應力很大，可能漂珠壁會有較大可能破裂，而基體只是出現較小裂紋。

2.3 多顆粒均勻隨機分布模型

為了更準確表達出復合材料模型，圖10為建立的多顆粒均勻隨機分布模型，應力分布如圖11所示。

圖10 多顆粒均勻隨機分布復合材料模型

圖11 多顆粒均勻隨機分布復合材料的應力分布

從圖11中可以看出，復合材料損傷首先發生在顆粒晶界處沿變形軸向位置和應變集中的顆粒聚集的基體附近，隨著變形增加損傷會向基體中擴展，最終形成帶狀損傷區域而使復合材料斷裂。

3 壓縮斷裂試驗

從圖12中看出，復合材料斷口為解離斷口，說明該復合材料是脆性斷裂。斷口內有漂珠壁破裂，驗證了模擬結果的準確性。

圖12 復合材料斷口SEM形貌

4 結論

（1）對漂珠-AZ91D復合材料建立三種有限元模型，其中三維模型計算結果高于二維模型計算結果對于中空漂珠而言，裂紋可能最先出現在漂珠壁上;（2）多顆粒均勻隨機分布的模型更能夠從復合材料整體上判斷出斷裂損傷的趨勢;（3）三維模擬結果和實驗結果更加接近。

[1] 汪正興, 翁巍, 馬乃恒. 鋁基空心微珠復合材料的阻尼性能[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.空心微珠增強鋁基復合材料彈塑性性能的模擬預測[J].鑄造技術,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

教育部科學技術研究重大項目“漂珠/鎂合金復合材料的界面及力學行為機理研究”（313056）

2016-08-08

稿件編號:1608-1460

李凡國（1978—），男，在讀博士，副教授,研究方向：金屬基復合材料.