【摘要】：氫是在自然界最小、最輕的原子,它廣泛存在自然界中。環(huán)境中存在的氫可以通過在材料表面的物理吸附、化學(xué)吸附、溶解或擴散等過程進入材料內(nèi)部。作為最小的原子,一旦進入材料后,氫就會在材料中快速擴散;與此同時,氫還會被材料中的各種缺陷捕捉或者偏析在它們附近。被材料中各種缺陷捕捉或偏析在它們附近的氫,不僅會顯著地影響材料的塑性變形行為,還會顯著地影響材料的斷裂強度,導(dǎo)致材料過早地發(fā)生氫脆斷裂。氫致材料失效現(xiàn)象雖在工程中廣泛存在,但對其內(nèi)在物理機理的認識和定量描述還不夠深入,它涉及材料科學(xué)和固體力學(xué)的交叉前沿,是一個典型的多尺度、多場耦合科學(xué)問題。顆粒增強金屬基復(fù)合材料是一種性能優(yōu)良的先進復(fù)合材料,在工程中有越來越多的應(yīng)用。該材料的優(yōu)良性能來自于顆粒相和基體相的有效協(xié)同,顆粒與基體之間的界面強度是控制其性能的關(guān)鍵。一旦進入顆粒增強金屬基復(fù)合材料后,氫會在顆粒-基體界面處偏析并顯著地降低界面粘接性能,導(dǎo)致顆粒復(fù)合材料整體性能下降。因此,研究顆粒增強金屬基復(fù)合材料中氫的擴散以及氫在界面附近的分布對刻畫顆粒增強金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能、界面開裂行為有重要理論意義和潛在的工程應(yīng)用價值。本文的主要工作有:1、氫擴散-應(yīng)力場耦合算法及其在ABAQUS軟件中的實現(xiàn)。氫的擴散不僅與氫的濃度有關(guān),還與靜水應(yīng)力場的分布有關(guān),涉及氫濃度場與應(yīng)力應(yīng)變場的耦合。為此,首先,通過ABAQUS的UMAT子程序計算金屬基體和顆粒的力學(xué)行為;然后,基于氫擴散方程與熱傳導(dǎo)方程的相似性,采用熱比擬法,通過ABAQUS的UMATHT子程序計算氫的濃度分布;通過二次開發(fā),在ABAQUS框架下實現(xiàn)了應(yīng)力、應(yīng)變場和氫擴散之間的耦合求解。2、通過氫擴散-應(yīng)力場耦合計算模擬,研究了顆粒體積分數(shù)、顆粒取向等對氫在金屬基體中的分布的影響。主要考慮了兩種情形:即氫不影響基體材料力學(xué)行為及氫影響基體材料力學(xué)行為。通過對比分析,研究了這兩種情形下,顆粒體積分數(shù)、顆粒取向等細觀結(jié)構(gòu)特征對氫在基體中的分布及其對顆粒增加金屬基復(fù)合材料宏細觀力學(xué)行為的影響。本文所得結(jié)果對認識顆粒增強金屬基復(fù)合材料的氫致變形行為及其失效機理有一定參考價值。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB333
【圖文】：

圖 2-1 氫擴散耦合計算流程圖2.5 本章小結(jié)本章首先介紹了氫擴散模型及其相關(guān)理論�；瘜W(xué)勢梯度和靜水應(yīng)力梯度是氫擴散的主要驅(qū)動力。金屬中通常存在兩種類型的氫，即間隙氫和陷阱氫。氫通量主要受間隙氫濃度和靜水應(yīng)力梯度的影響。Oriani[8]的平衡理論表明，陷阱位置與間隙位置(NILS)中的氫粒子分布在靜態(tài)和瞬態(tài)期間保持平衡。塑性應(yīng)變對陷阱氫濃度有影響，陷阱密度隨著塑性應(yīng)變的增加而增加。由 Fick 定律，質(zhì)量守恒定律以及Oriani的平衡理論等最終得到氫擴散方程，該方程與氫的濃度梯度和靜水應(yīng)力梯度有關(guān)。此外，還介紹了應(yīng)力三軸度對材料的斷裂行為的影響，用應(yīng)力三軸度來衡量材料界面斷裂行為，認為在應(yīng)力三軸度最大的地方容易開裂。給出了基體和橢圓顆粒

(a)豎向 (b)橫向圖 3-1 單顆粒模型由于本文涉及的模型較多，考慮到大型商業(yè)有限元 ANSYS 軟件強大的參數(shù)化計語言(APDL，即 ANSYS Parametric Design Language)及 ABQAUS 軟件豐富的單庫、眾多的用戶子程序接口和強大的幾何非線性計算能力，本文使用 ANSYS 軟來前處理，建立模型，生成相關(guān)信息文件，最后導(dǎo)入到 ABAQUS 軟件進行相關(guān)算和后處理。3.2 ANSYS 相關(guān)模塊.2.1 ANSYS 前處理方法在 ANSYS 中進行前處理主要分為三個步驟：1.在 ANSYS 中建立相應(yīng)的幾何模型，并劃分網(wǎng)格；

V ) (b)單顆粒(橫向, )圖 3-2 模型有限元模型(ANSYS)圖3-2為顆粒體積分數(shù)為 0.15的有限元模型，對于其他兩種體積分數(shù)的模型，只需修改體積分數(shù)，再適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格即可得到。由于實行參數(shù)化建模，上述操作非常簡單，這里不再一一綴敘。2. 定義組件,生成相應(yīng) inp 文件由于本文需要ABAQUS來做后處理，故需要找到由ANSYS模型得到ABAQUS所需 inp 文件的方法。ABAQUS 的 inp 文件主要由兩部分組成，第一部分主要為節(jié)點坐標、節(jié)點編號、所需要的節(jié)點集合、單元集合等；第二部分為利用第一部分的節(jié)點與單元集合來設(shè)置材料屬性、模型的荷載等邊界條件，確定荷載步、求解以及輸出控制(場輸出和歷程輸出等)等。這里第二部分可以按照 inp 所需的格式手寫即可完成，但第一部分相對來說不好實現(xiàn)(尤其當(dāng)模型復(fù)雜時

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 祁爽;蔡力勛;包陳;姚迪;;基于應(yīng)力三軸度的材料頸縮和破斷行為分析[J];機械強度;2015年06期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 謝文平;顆粒增強金屬基復(fù)合材料屈服行為的數(shù)值模擬[D];華中科技大學(xué);2012年

2 司馬愛平;應(yīng)力三維度對材料斷裂破壞的影響[D];上海交通大學(xué);2009年

本文編號：2802254