基于DIC的SiCp_Al复合材料缺口力学性能研究.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2023-03-22 作者简介:张哲（1998），男，安徽淮南，硕士，主要研究方向为材料力学性能，。通信作者:陈志新（1972），男，湖南安化，博士，副教授，主要研究方向为先进材料力学行为分析，C。引文格式:张哲，陈志新，王梧旭.基于 DIC 的 SiCp/Al 复合材料缺口力学性能研究J.实验技术与管理,2023,40(6):121-127.Cite this article:ZHANG Z,CHEN Z X,WANG W X.Study on notched mechanical properties of SiCp/Al composites based on DICJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):121-127.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.019 基于 DIC 的 SiCp/Al 复合材料缺口力学性能研究 张 哲，陈志新，王梧旭（东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 南昌 330013）摘 要：碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）有着优异的力学性能，主要表现在强度、刚度、疲劳等方面，在航空航天、光学精密仪器等领域被广泛使用。为研究 SiCp/Al 材料在缺口方面的力学性能，进行了单轴拉伸试验，使用三维数字散斑应变测量分析系统，测量了 SiCp/Al 材料的强度和弹性模量等力学性能，并采集了材料颈缩处的位移场和应变场。对实验数据进行分析处理后，获取了 Johnson-Cook 本构模型所需参数的数据，使用 ABAQUS 有限元软件模拟 SiCp/Al 材料拉伸试验。将三维数字散斑应变系统测量的结果与仿真结果进行全场对比分析，结果吻合良好，误差在允许范围内，验证了模拟的合理性和有效性。关键词：材料力学；3D-DIC；铝基碳化硅复合材料；Johnson-Cook 本构模型 中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)06-0121-07 Study on notched mechanical properties of SiCp/Al composites based on DIC ZHANG Zhe,CHEN Zhixin,WANG Wuxu(School of Mechanical and Electrical Engineering,East China University of Technology,Nanchang 330013,China)Abstract:Silicon carbide particle reinforced aluminum matrix composites(SiCp/Al)have excellent mechanical properties,mainly in strength,stiffness,fatigue,etc.,and are widely used in aerospace,optical precision instruments and other fields.In order to study the mechanical properties of SiCp/Al materials in terms of notches,uniaxial tensile tests are carried out,and the mechanical properties of SiCp/Al materials such as strength and elastic modulus are measured by using a three-dimensional digital speckle strain measurement and analysis system,and the displacement field and strain field at the neck of the material are collected.After analyzing and processing the experimental data,the data of the parameters required by the Johnson-Cook constitutive model is obtained,and the tensile test of the SiCp/Al material is simulated by using the ABAQUS finite element software.The measurement results of the 3D digital speckle strain system and the simulation results are compared and analyzed in the whole field.The results are in good agreement,and the error is within the allowable range,which verifies the rationality and effectiveness of the simulation.Key words:mechanics of materials;3D-DIC;aluminum matrix silicon carbide composites;Johnson-Cook constitutive model 在研究 SiCp/Al 复合材料断裂和强化机理方面，郭成等1在室温情况下进行拉伸断裂试验，得出其断裂有着三种方式，都属于 MNG 模式；秦亮等2用二维和三维力学分析模型对 SiCp/Al 复合材料的增强和破坏机理进行了研究，并用解析方法和数值模拟来建立本构关系。而在 SiCp/Al 复合材料缺口这一方面的122 实 验 技 术 与 管 理 探究较少，赵恒3研究了 17%SiC 颗粒的 SiCp/Al 复合材料的 B-P 黏塑性本构模型，通过对平板件和小缺口件做拉伸和低周疲劳试验进行模型优化；蒋鹏琛4通过对 SiCp/Al 复合材料平板件和小缺口件做拉伸和高周疲劳试验建立 Chaboche 黏塑性本构模型来预测材料的疲劳寿命。而本文从较大缺口及拉伸速度方面进行研究，使用 3D-DIC 三维数字散斑测量方法对材料的应变场和位移场进行云图监测，再通过 ABAQUS 软件仿真和建立 Johnson-Cook 本构模型来与材料的力学性能建立联系，得到了 SiCp/Al 复合材料缺口件的力学性能并验证了模拟的可行性和实用性。1 试验材料与试验方法 1.1 试验材料与设备 拉伸试样选取的是 Si 颗粒体积分数为 17%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料。根据此复合材料的实际应用情况，材料选用平板试验件。试验完整试样和试验缺口试样的基本尺寸如图 1 所示。图 1 SiCp/Al 复合材料拉伸完整试样和 缺口试样（单位：mm）拉伸试验所用设备有 SANS 型号为 CMT5505 的电子万能试验机；XJTUDIC 三维数字散斑应变测量分析系统。其中散斑测量系统中摄像机采集频率为 2 帧/s，两个摄像机同时采集试样拉伸情况，如图 2 所示。1.2 拉伸试验方法 根据 GB/T 324982016金属基复合材料 拉伸试验 室温试验方法，对 SiCp/Al 完整件和缺口件进行单轴拉伸试验。试验材料数量为 9 件，分为完整件3 件，缺口半径 R=3.7 mm 缺口件 3 件，R=5.6 mm 缺口件 3 件，并采用 3 种不同的加载速率，研究缺口和拉伸速度对 SiCp/Al 复合材料力学性能的影响。试验材料规格及试验安排如表 1 所示。图 2 试验现场 表 1 试验安排及材料规格表 试验号 影响 因素 1234 5 6 789拉伸速度/(mmmin1)11 1 0.6 0.6 0.6 0.20.20.2缺口/mm03.75.60 3.7 5.6 0 3.75.6 用 SANS 电子万能试验机做拉伸试验前，需对试验材料进行散斑喷涂。散斑点可以更加直观地表现试样的变形信息，它会随着材料的拉伸变形发生相应的运动，接着两个摄像机会采集材料拉伸变形前后的散斑场图像信息。首先在完整试件和缺口试件的一侧外表喷涂一层均匀的白漆，然后在白基色上喷洒大小均匀的黑漆斑点，风干后形成散斑点，如图 3 所示。图 3 试样散斑图 2 拉伸试验结果与分析 在试验过程中得到的试验件的应力应变曲线并不是真实应力和真实应变，需要按照以下公式行转换。true/FA（1）true0ln(/l l)（2）其中，true为真实应力，true为真实应变，F为外载 张 哲，等：基于 DIC 的 SiCp/Al 复合材料缺口力学性能研究 123 荷，A为截面积，0l为初始标距，l为瞬时标距。通过对 SiCp/Al 复合材料进行不同拉伸速率的拉伸试验后，得到 9 组包括抗拉强度、屈服强度、弹性模量等数据如表 2 所示。表 2 材料力学参数试验结果 试验号 拉伸速度/(mmmin1)抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 弹性模量/GPa 延伸率/%1 1.0 546 426 56.12 6.20 2 1.0 423 268 64.20 2.70 3 1.0 391 266 70.50 2.21 4 0.6 350 220 56.13 5.80 5 0.6 378 248 63.00 2.61 6 0.6 391 259 67.70 2.30 7 0.2 362 275 53.90 6.01 8 0.2 408 264 64.40 2.60 9 0.2 419 267 67.00 2.42 2.1 缺口大小对 SiCp/Al 复合材料的影响 图 4 为 SiCp/Al 复合材料完整件和缺口件的拉伸断裂实物图。图 5 给出了 SiCp/Al 复合材料完整件和缺口件在同一拉伸速速率下的拉伸试验应力应变曲线。从图 4 中可看出，完整试件断裂处处于中部偏上，缺口件均是缺口根部处断裂且断口平整，完整拉伸试件的断裂处与载荷方向垂直，并且断口宏观样貌平整；缺口件的断裂处在缺口所在位置，与载荷方向垂直，注：图中从左到右依次为完整件、半径 R=3.7 mm 缺口件、半径R=5.6 mm 缺口件。图 4 相同拉伸速率下的试件断裂实物图 并且断口宏观样貌比较平整。然后确定缺口敏感性，缺口敏感性 qe用来衡量SiCp/Al 复合材料强度和塑性的变化趋势，通常是用完整试件的抗拉强度b和缺口试件的抗拉强度bH的比值作为敏感性的指标，即：bebHq（3）表 3 列出了材料缺口敏值，当e1q 时，表示材料对缺口较为敏感，因此容易产生过早的断裂且缺口处可能还未发生塑性变形，eq值越大，缺口敏感性越大。当e1q 时，表示缺口处产生了塑性变形，eq值越小，说明塑性变形延展量越大，脆性量越小，表示缺口敏感性较小。从表 3 计算得到的结果发现，在低拉伸速度下，eq均小于 1，且拉伸速度越低，eq比值 图 5 不同拉伸速度时试样在不同缺口下应力应变曲线和在不同缺口的断后延伸率曲线 124 实 验 技 术 与 管 理 越小，说明在此条件下缺口敏感性较低。当拉伸速度升高至 1.0 mm/min 时，eq均大于 1 且缺口变大，eq比值也变大，表示缺口敏感，并且在此条件下材料的断裂韧性较低，容易发生脆性断裂。表 3 缺口敏感度 eq 缺口半径/mm 1 mm/min 0.6 mm/min 0.2 mm/min 3.7 1.29 0.93 0.89 5.6 1.40 0.89 0.86 从图 5(a)、5(b)中可以发现，在低拉伸速率下，有缺口材料的屈服强度和抗拉强度对比完整件有着显著提高，可见缺口使得材料的屈服强度和抗拉强度提升，由此可见由于缺口的存在约束了材料的塑性变形，缓解了缺口处的应力集中，从而使得材料的塑性降低，强度变大，且强度随着缺口增大而提高，是谓“缺口强化”行为，这说明了 SiCp/Al 复合材料不仅有着非常好的强度，且缺口半径在 05.6 mm 内，强度有着更好的表现。图 5(c)所示拉伸速率在升高至 1.0 mm/min 时，出现的情况与另外两种不同，屈服强度和抗拉强度都随着缺口的增大而减小，原因是在外载荷相当时，且此条件下材料缺口敏感性随缺口变大而增大，因此在较大的拉伸速度下，使得材料形变来不及发生或者发生不充分，加快了脆性断裂，缺口根部形成了应力集中，缺口越大，应力集中程度越大，强度随之降低。也由此可见拉伸速度影响着 SiCp/Al 复合材料的性质。图 5(d)显示了 SiCp/Al 复合材料在不同缺口下的断后延伸率，伴随缺口的增大，3 种拉伸速率下的断后延伸率显著降低，由此可见缺口对材料塑性有着明显的削弱效果。并且在缺口越大时，断后延伸率伴随着拉伸速率的降低也趋于平缓。通过观察材料拉伸试验的弹性模量数据，发现随着缺口增大，弹性模量也随之增高，这说明了缺口的存在使得材料的弹性性质变大，更加不容易变形，可以抵抗更大的外力。2.2 不同拉伸速度对 SiCp/Al 复合材料的影响 图 6 列出了 SiCp/Al 复合材料在不同拉伸速度下的拉伸试验结果。从图中可以看出，随着拉伸速率的提升，SiCp/Al复合材料完整试件在低于 1.0 mm/min 时，屈服强度和抗拉强度总体上变化很小。但在试验最大拉伸速度下，与另外两种有较大差别，强度都高于另外两种，由此可见 SiCp/Al 复合材料对较低拉伸速率表现较不 敏感，对 1.0 mm/min 左右小范围的拉伸速率产生较大敏感。图 6 不同缺口试样在不同拉伸速度下应力应变曲线和不同拉伸速度的断后延伸率曲线 张 哲，等：基于 DIC 的 SiCp/Al 复合材料缺口力学性能研究 125 另外两种缺口试件在三种拉伸速率下屈服强度和抗拉强度总体变化不大。但是在缺口半径 R=5.6 mm的试件上，屈服强度和抗拉强度随着拉伸速率的增大而减小，分析得出，在此缺口大小情况下，材料的缺口敏感性最大，且材料对 1.0 mm/min 的拉伸速率最为敏感，随着拉伸速度加快，轴向应力不断增大，无法在缺口处发生一定的塑性变形，应力集中程度随之增大，就会越快发生断裂。所以，SiCp/Al 复合材料在缺口半径 3.75.6 mm 范围内时，拉伸速率越快，强度越低。图 5(d)是 SiCp/Al 复合材料在不同的拉伸速率下 3 种试件的断后延伸率，从图中可以看出随着拉伸速率的上升，完整件的断后延伸率下降最为明显，缺口半径 R=3.7 mm 试件没有什么变化，缺口半径 R=5.6 mm试件有着略微下降，由此说明随着拉伸速率的提升，缺口件比完整件在受力拉伸时更加稳定，且在缺口半径 R=3.7 mm 时稳定性最好。结合以上分析，SiCp/Al 复合材料在适当大小的缺口下，材料强度表现优于光滑完整试件，且在低速拉伸下更加稳定。3 SiCp/Al 复合材料 3D-DIC 图像分析 此部分主要分析 3D-DIC 数字散斑系统测量出的材料的全场位移和全场应变图像。通过前几章的研究可知高拉伸速率对材料的影响最明显，所以选取拉伸速率为 1.0 mm/min 进行分析。图 7 显示了摄像机拍摄的 SiCp/Al 复合材料不同规格、不同变形时刻的图像，各分图中左图是拉伸前无变形图，中间是拉伸断裂前变形图，右图是拉伸断裂及 DIC 种子分布图。图 7 不同缺口 SiCp/Al 复合材料拉伸变形图 图 810 显示了位移场和应变场在缺口不同的SiCp/Al 复合材料上的图像。对于完整件材料，其 X方向位移场在颈缩处颜色比其他位置浅，且右侧最浅，符合试验断裂情况，Y 方向位移场显示固定端颜色偏浅，位移小，越靠近加载端颜色越深，位移越大，符合试验断裂情况。而在应变场，Y 方向应变的变形场等势线呈平行状，在颈缩处应变值最大。两种不同缺口的试样，其位移场和应变场差别不大，且变形场等势线皆是沿缺口根部对称。缺口半径 R=3.7 mm 和R=5.6 mm 的 X 方向位移场云图显示，右侧缺口云 图颜色最浅，变形场等势线也是由右侧缺口向外扩散，这可能是由于放置试验材料过程中造成的微小 偏差。两种大小缺口的试件 Y 方向应变场皆是在缺口根部应力值最大，且缺口越大应力值有着微小的增加，云图中显示缺口半径为 R=5.6 mm 的试件两端应力值比 R=3.7 mm 的缺口试件要小，这说明其应力集中更为明显。图 8 完整 SiCp/Al 复合材料断裂前 X、Y 方向位移场和应变场 126 实 验 技 术 与 管 理 图 9 3.7 mm 缺口 SiCp/Al 复合材料断裂前 X、Y 方向位移场和应变场 图 10 5.6 mm 缺口 SiCp/Al 复合材料断裂前 X、Y 方向位移场和应变场 4 Johnson-Cook 本构模型的参数选取 本构模型是金属材料的性质和结构的理论框架，它可以向研究人员描述出材料的力学性能，也可以在不同的力学环境下模拟出材料的变化。本构模型越准确，对材料行为的模拟越准确，就能更好地预测出材料的疲劳寿命。本实验采用的是 Johnson-Cook 本构模型，模型方程如下：room0meltroom()1ln1mnTTABCTT（4）其中：A为材料的屈服应力，B为应变硬化模量，为等效塑性应变，n为应变硬化指数，C为应变率强 化系数，0为无量纲的等效塑性应变，T为当前温度，roomT为室温，meltT为熔化温度，m为温度软化系数。Johnson-Cook 本构模型是由三部分组成，从左往右分别代表材料的应变硬化、应变速率强化和热软化。而本次试验是在室温条件下且是准静态轴向拉伸，则本构模型的后两项应变速率强化和热软化退化为常数1，因此该本构模型方程可表示为：)nAB（5）将拉伸速率为 1 mm/min 的试验数据导入非线性曲线拟合软件 1stOpt 中进行曲线拟合，如图 11 所示，可以得到模型参数 A、B、n。图 11 不同缺口 SiCp/Al 复合材料 Johnson-Cook 本构模型参数拟合曲线 5 ABAQUS 有限元模拟 在有限元软件 ABAQUS 中建模出缺口不一的 SiCp/Al 复合材料试样，再通过 ABAQUS 软件进行数 值模拟。试样材料属性由拉伸试验和 Johnson-Cook 本构模型的数据提供。以材料中心为对称点，取两边长度各 15 mm 的单元。根据试验的加载方式，对模型的一端完全固定约束，另一端施加伸长量长度的位移约 张 哲，等：基于 DIC 的 SiCp/Al 复合材料缺口力学性能研究 127 束，采用六面体单元对模型进行有限元网格的划分，图 12 是试样完整件和两种缺口件在拉伸速度为 1.0 mm/min 下的拉伸模拟应力云图，计算试验应力值和仿真应力值之间的误差，如表 4。图 12 不同缺口大小试件等效应力云图（单位：MPa）表 4 不同缺口 SiCp/Al 单轴拉伸验证误差表 缺口大小/mm 试验应力值/MPa 仿真应力值/MPa 误差/%0 405.804 403.2 0.65 3.7 418.780 424.4 1.30 5.6 390.200 410.7 4.90 由图 12 和表 4 可知，仿真应力值与试验应力值误差均较小，由此可以验证本构模型的可行性和有限元仿真的有效性。6 结论（1）在拉伸速度为 0.6 和 0.2 mm/min 时，材料缺口敏感度均小于 1，表示缺口敏感性小，脆性倾向较小；在拉伸速度为 1.0 mm/min 时，材料缺口敏感度均大于 1，说明此条件下缺口处还未发生明显的塑性变形延展就产生脆性断裂，缺口敏感性较大。（2）伴随 SiCp/Al 复合材料缺口的增大，其在 0.2 0.6 mm/min 拉伸速度下的屈服强度、抗拉强度和弹性模量显著增加，缺口的存在加强了材料抵抗变形的能力；在 0.61 mm/min 拉伸速度下，材料的强度值均有着明显的下降，且此条件下缺口敏感性大，容易产生早期断裂，缺口越大，强度越低。（3）随着拉伸速度的增大，不同缺口的材料在0.61 mm/min拉伸速度时都与0.20.6 mm/min拉伸速度时力学数据有着较大变化，说明了 SiCp/Al 复合材料缺口件对越大的拉伸速度更为敏感，拉伸速度越低，材料性能越稳定。（4）观察 DIC 试验得到的不同缺口 SiCp/Al 复合材料的应变云图和位移云图可知，完整试件的 X 方向应变的变形场等势线呈波纹状且从颈缩处向外扩散，Y 方向应变的变形场等势线呈平行状，在颈缩处应变值最大；两种大小缺口的试件 Y 方向应变场皆是在缺口处应力值最大，且缺口越大应力值有着微小的增加。参考文献(Reference)1 郭成，程羽，尚春阳，等.SiC 颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理J.复合材料学报，2001(4):5457.2 秦亮，耿小亮，郭运强，等.SiC_p/Al 材料力学行为研究的进展J.航空制造技术，2010(16):7982.3 赵恒.碳化硅颗粒增强铝基复合材料本构模型研究D.南京：南京航空航天大学，2020.4 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