5、金属复合材料与疲劳寿命研究

金属复合材料与疲劳寿命研究

1. 颗粒增强块状金属玻璃基复合材料的微观力学分析

1.1 研究背景与目的

在材料科学领域，颗粒增强块状金属玻璃基复合材料（BMGCs）因其独特的性能受到广泛关注。本研究旨在通过三维有限元模拟，深入了解韧性颗粒增强的非原位BMGCs在变形和失效过程中的力学机制。研究中，将球形颗粒增强体引入块状金属玻璃（BMG）基体中，并为增强体和基体选择合适的本构模型，以代表各自材料的广泛特性。

1.2 三维模型构建

• 3D多颗粒模型 ：假设一组颗粒随机分散在非晶基体中，开发该模型以理解单轴压缩和拉伸下剪切带的实际形成。以30个球形颗粒随机分散在方形截面棱柱盒（长宽高比为0.5:0.5:1）为例，颗粒体积分数为50%。有限元分析使用ABAQUS C3D10M单元类型，网格包含18,245个单元和26,616个节点。边界条件为：底部节点在Y方向受限，底部一个角节点在X、Y和Z方向固定以防止刚体运动，单轴压缩和拉伸载荷通过以准静态应变率4 × 10⁻⁴ s⁻¹ 位移“顶部”节点施加。
• 3D单胞模型 ：为研究非原位BMGCs的单轴拉伸和压缩响应，采用单胞方法进行三维有限元模拟。假设球形颗粒在非晶基体中呈三重周期性均匀排列，一个围绕增强体的单胞足以捕捉整个复合材料的响应。以增强体体积分数为50%的球形颗粒BMGC为例，模型代表整个单胞的1/4（利用几何对称性和材料各向同性）。创建“右”、“顶”和“前”节点集，“左”、“底”和“后”节点集分别在X、Y和Z方向施加对称边界条件，“右”和“前”节点与“tie”节点绑定，确保单胞边界平整且无剪切牵