Title: An analysis of the effects of matrix void growth on deformation and ductility in metal-ceramic composites
Abstract: Deformation and failure of metal-matrix composites, by the nucleation and growth of voids within the ductile matrix, are studied numerically and experimentally. The matrix material is modelled as an elastic-viscoplastic ductile porous solid to characterize the evolution of damage from void formation. The material systems chosen for parametric analyses and for quantitative comparisons between numerical analyses and experiments are aluminum alloys discontinuously reinforced with SiC. The brittle reinforcement phase, in the form of spheres, particulates with sharp corners, or cylindrical whiskers, is modelled as elastic or rigid, with the interfaces between the ductile matrix and the brittle reinforcement assumed to be perfectly bonded. The overall constitutive response of the composite and the evolution of matrix failure are analyzed using finite element models within the context of axisymmetric and plane strain formulations. Detailed parametric analyses of the effects of (i) reinforcement shape, (ii) reinforcement volume fraction, (iii) mechanical properties of the matrix, (iv) nucleation strain and volume fraction of void-nucleating particles, and (v) reinforcement distribution on the overall deformation and ductility of the composite are discussed. The numerical predictions of yield strength, strain hardening exponent and ductility for the composites with different volume fractions of SiC particulates are also compared with experimental measurements. On étudie numériquement et expérimentalement la déformation et la rupture de composites à matrice métallique par germination et croissance de cavités à l'intérieur de la matrice ductile. Le matériau de la matrice est modélisé comme étant un solide poreux ductile élastico-viscoplastique pour caractériser l'évolution des dégâts à partir de la formation de cavités. Les systèmes de matériaux choisis pour les analyses paramétriques et pour les comparaisons quantitatives entre analyses numériques et expériences sont des alliages d'aluminium renforcés d'une manière discontinue par du SIC. La phase renfort fragile, sous la forme de sphères, de particules aux coins aigus, ou de fils monocristallins cylindriques, est modélisée comme étant élastique ou rigide, l'interface entre la matrice ductile et le renfort fragile étant supposée parfaitement liée. La réponse constitutive globale du composite et l'évolution de la rupture de la matrice sont analysées en utilisant des modèles d'élements finis pour des déformations avec axe de révolution et planes. Les analyses paramétriques détaillées de effets (i) de la forme du renfort, (ii) de la fraction volomique du renfort, (iii) des propriétés mécaniques de la matrice, (iv) de la déformation de germination et de la fraction volumique des particules permettant la germination des cavités, et (v) de la répartition du renfort, sur la déformation et la ductilité globales du composite sont discutées. Les prévisions numériques de la limite élastique, de l'exposant du durcissement par écrouissage et de la ductilité pour des composites à différentes fractions volumiques de particules de SiC sont aussi comparées aux mesures expérimentales. Verformung und Bruch von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen durch Keimbildung und Wachstum von Poren innerhalb der duktilen Matrix werden numerisch und experimentell untersucht. Das Matrixmaterial wird als ein elastisch-viskoplastischer duktiler poröser Festkörper modelliert, um die Entwicklung der Schädigung durch Bildung von Poren vrfolgen zu können. Die für parametrische Analysen und quantitative Vergleiche gewählten Materialsysteme sind Aluminiumlegierungen, die mit SiC diskontinierlich verstärkt sind. Die spröde Verstärkungsphase, in Form von Kugeln, Teilchen mit scharfen Ecken oder zylindrischen Whiskern, wird als elastisch oder star modelliert, wobei angenommen wird, daβ die Grenzflächen zur duktilen Matrix perfekt gebunden sind. Das gesamte Vrhalten des Verbundwerkstoffes und die Entwicklung des Bruch in der duktilen Matrix werden mittels der Methode der finiten Elemente im Rahmen von axisymmetrischen Formulierungen und der Geometrie ebener Verzerrungen analysiert. Ausführliche parametrische Analysen des Einflusses (i) der Form und (ii) des Volumanteils der Verstärkungselemente, (iii) der mechanischen Eigenschaften der Matrix, (iv) der Keimbildungsverzerrung und des Volumanteils der Poren-bildenden Teilchen und (v) der Verteilung der Verstärkungselemente auf die Verformung und die Duktilität des Verbundwerkstoffes werden diskutiert. Die numerischen Voraussagen für Flieβfestigkeit, Verfestigungsexponent und Duktilität für die Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Volumanteilen von SiC-Teilchen werden auβerdem mit den experimentellen Messungen verglichen.
Publication Year: 1991
Publication Date: 1991-10-01
Language: fr
Type: article
Indexed In: ['crossref']
Access and Citation
Cited By Count: 362
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