Modeling dynamic behavior of metal matrix composites

Abstract

öz SiC-partikül takviyeli Al (2024-O) metal matrisli kompozit malzemenin, deformasyon hızına duyarlı basma davranışı nümerik olarak incelenmiştir. Parikül hacim oranının, kompozit malzemenin deformasyon hızı duyarlılığına etkisi, LUSAS Sonlu Elemanlar programında oluşturulan bir eksenel-simetrik sonlu elemanlar birim hücre modeli ile belirlenmiştir. Birim hücrede küresel partikülün elastik ve matrisin visko-plastik davranış gösterdiği kabul edilmiştir. Ayrıca partiküller eşit boyutlu ve matris içinde homojen dağıldığı varsayılmıştır. Matrisin deformasyon hızına duyarlı davranışı, deneysel gerilme-deformasyon hızı verilerinden elde edilen lineer bir ilişki ile formüle edilmiştir. Kompozitin farklı deformasyon hızlarındaki ve farklı partikül hacim oranlarındaki gerilme-birim şekil değişim grafikleri nümerik olarak elde edilmiştir. Nümerik olarak hesaplanan gerilme ile deformasyon hızı duyarlılığı sonuçlarından % 15 SiC partikül takviyeli Al metal matrisli kompozit için elde edilenleri deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Nümerik hesaplamalar, kompozitin deformasyın hızı duyarlılığının matris malzemesinden yüksek olduğunu göstermiştir. Kompozitin deformasyon hızı duyarlılığının artan partikül hacim oram ile de arttığı hesaplanmıştır. Ayrıca kuvvetlendiricinin şeklinin kompozitin davranışına etkiside incelenmiştir. Bu inceleme için birim hücrenin içine silindirik bir kuvvetlendirici yerleştirilmiştir. Sonuç olarak kompozitin deformasyon hızına duyarlı basma davranışının ve birim hücre içinde oluşan bölgesel gerilmelerin kuvvetlendiricinin şeklinden etkilendiği görülmüştür. Nümerik ve deneysel sonuçlar arasında gözlenen farklılıklar, kompozitin deformasyon duyarlılığı ve gerilme-birim deformasyon davranışını etkileyebilecek geometrik ve mikroyapısal parametrelerle tartışılmıştır. *!ssr^ ffl'

ABSTRACT A numerical investigation has been conducted on the strain rate dependent compression mechanical behavior of a SiC-particulate reinforced Al (2024-O) metal matrix composite. The effect of particle volume fraction on the strain rate sensitivity of the composite was determined using axisymmetric Finite Element unit cell models, where the particles are treated as elastic spheres embedded within a visco-plastic matrix, implemented in LUSAS Finite Element Analysis program. Particles are taken to be elastic, equal-sized, spherical and uniformly distributed in the matrix. The strain rate dependent constitutive behavior of the matrix material uses a linear relation between stress and strain rate formulation and is obtained from independent experimental results on the matrix. The flow stress of the composites is predicted over a range of strain rates for different particle volume fractions. Numerical results of the flow stress and strain rate sensitivity of the composite were also compared with those of experimental results, for 15% SiC particle reinforced 2024-O Al metal matrix composite. Influence of particle shape on the behavior of the MMC at high strain rates is also investigated. A unit cell, which is an elastic cylinder embedded within a visco-plastic matrix, is used. It is also shown that the rate dependent flow stress and local stress in the microstructure are influenced by particle shape. If reinforcement edge sharpness increases, local stress increases at that area. The results show that both the flow stress and the strain rate sensitivity increase with increasing volume fraction of the reinforcement due to the constraining effect of the reinforcement. Numerical calculations have shown an increased strain rate sensitivity of the composite over the matrix alloy. The discrepancy found between numerical and experimental results was finally discussed based on geometrical and microstructural parameters that might affect the composite flow stress and strain rate sensitivity.