短纤维增强镁基复合材料液固态挤压成形中的损伤机理研究

Plasticity forming of magnesium matrix composites in liquid-solid state has several advantages, such as low deformation resistance, small extent of damage to fiber, and near-net forming. However, solid grain, liquid phase surrounding the grain and reinforcements coexist in the composite, stress concentration induced by the deformation mismatch between the three phases may cause the nucleation,propagation and coalescence of microcracks, which may lead to macro cracks and accelerate the failure of composites. Present study intends to investigate the influence of deformation conditions and microstructure on the damage behavior of the composites by combination of numerical simulation, process experiment，and theoretical analysis, and the goal is to realize the active control of micro defects in liquid-solid forming. A 3-D unit cell model of magnesium matrix composite reinforced by short fiber will be generated based on RSA (Random Sequential Adsorption) method according to the real microstructure. Fracture mechanics method will be introduced to forecast the occurrence of micro cracks due to partial melting and uncoordinated deformation. Macro-micro integrated simulation method based on submodel technique will be adopted to visualize the damage distribution and evolution in the composite. An active control method for micro defects will be established finally though extensive FEM simulations combining process experiments and quantitative analysis of micro defects. The work has prominent significance for the defect prevention in liquid-solid forming and the actual application of magnesium matrix composites.

液固态成形金属基复合材料技术具有变形抗力小、纤维损伤程度小和近净成形等优点。然而，液固态复合材料中液、固相和短纤维三相共存，变形不协调引起的局部应力集中将诱发微裂纹的形核、长大和聚合，最终导致宏观裂纹的产生和材料的失效。本项目以微观损伤行为模拟为切入点，以主动控制微观缺陷为主线，采用数值模拟、工艺试验研究和理论分析相结合的方法，研究变形条件和微观结构对短纤维增强镁基复合材料损伤行为的影响规律。采用随机吸附算法生成基于复合材料微观结构的三维单胞模型，将断裂力学方法引入液固态材料微观损伤模拟中，预测镁基复合材料中由于局部熔化和不协调变形引起的微裂纹的产生；采用基于子模型技术的宏-微观相结合的有限元模拟方法，结合液固态挤压工艺试验和微观缺陷定量分析，最终确立液固态挤压成形过程中复合材料微观缺陷产生的主动控制方法。预期研究成果对液固态成形中的损伤预测和镁基复合材料的实用化具有重要的科学意义。

短纤维增强镁基复合材料在液固态压力成形过程中固相晶粒、晶界液相和短纤维三相共存，微观变形机制复杂，在局部拉应力作用下即可产生微观孔洞，并长大、聚合为宏观裂纹。因此，掌握复合材料内部微观变形与损伤机理，以及微观缺陷产生的主动控制方法是提高其成形质量迫切需要解决的关键基础科学问题。本项目采用试验研究、数学建模和仿真分析相结合的方法对此进行了系统研究。取得的主要进展如下：（1）采用固态重熔与半固态拉伸测试，结合微观组织观察揭示了短纤维增强镁基复合材料半固态微观组织的结构特征及损伤规律。固态重熔过程中，晶界的低熔点相首先开始熔化。液相分数较低时，三角晶界处孤立的液相包将成为应变集中点，而连续均匀分布的液相膜主导复合材料的流变行为。在低应变速率下，微观孔洞主要产生于纤维/基体界面或纤维两端，裂纹沿与拉伸方向成45°扩展；在高应变速率下，孔洞主要产生于纤维两端，裂纹扩展方向与载荷方向垂直。（2）将经典韧性断裂准则与连续介质损伤模型相结合，建立了短纤维增强镁基复合材料的半固态损伤模型。将与变形温度和应变速率相关的Zener-Hollomon参数作为一个修正系数引入Cockroft–Latham断裂准则，采用高温及半固态单轴拉伸试验方法得到不同lnZ下镁基复合材料的断裂应变，通过非线性拟合确定了模型中的修正系数，从而得到改进的Cockroft–Latham断裂准则。（3）确立了基于变形-传热-损伤多场耦合的液固挤压成形复合材料制件表面裂纹及横向焊缝的预测方法。将改进的Cockroft–Latham断裂准则应用于液固挤压成形过程中的数值模拟，发现制件表面裂纹及横向焊缝的形状与试验结果基本吻合，表明该预测方法可以很好地应用于镁基复合材料液固挤压表面裂纹及横向焊缝的预测。（4）建立了基于纤维周期性排列的单胞模型，揭示了复合材料微区应力及微观损伤产生的内在机理。纤维两端及相邻两根纤维之间的基体中容易产生应力集中而导致开裂，短纤维在压应力和剪切应力作用下容易被折断。（5）设计并制备了耐热稀土镁合金及其复合材料，揭示了合金化元素与短纤维的复合强化机制。镁合金及其复合材料的抗蠕变性能和高温强度显著提高，主要归因于微量元素的加入细化了组织，新生成的金属间化合物阻碍了位错攀移和晶界滑移。研究成果在本领域著名期刊J. Alloys Comp.等发表论文8篇，培养研究生3人。