摘 要

树脂砂是铸造业广泛使用的一种型砂，从微观结构来看是一种颗粒增强树脂基复合材料。以往对于树脂砂的研究，大部分都是基于实验与数学解析模型的方法，研究树脂加入量、树脂强度、原砂粒径等对树脂砂强度的影响，但是却忽略了树脂砂空间结构、粘结桥曲率等因素对于树脂砂常温强度的影响。

本文通过多种表征方法对树脂砂进行微细观结构表征，在考虑了树脂砂微细观结构的基础上，使用有限元软件ABAQUS建立理想的树脂砂三维单胞模型，以基于失效位移最大主应力破坏准则的扩展有限元方法（XFEM）对树脂砂的断裂性能进行数值模拟，并对树脂砂的断裂性能进行测试。

研究结果表明：砂粒的空间分布较为复杂，砂粒之间通过树脂粘结桥连接，且树脂分布不均匀；随着树脂加入量的增加，粘结桥曲率会减小，树脂砂的强度会增大，比强度则会先增大后减小；树脂强度增加，树脂砂的拉伸强度会随之增大，树脂强度从9MPa增加到15MPa，树脂砂拉伸强度提升了27%；增加界面强度能够显著提高树脂砂的拉伸强度，界面强度从6.5MPa增加到12.3MPa，树脂砂拉伸强度提升了77%。

关键词：树脂砂；微细观结构；断裂性能；单胞模型；数值模拟

Abstract

Resin sand is a kind of moulding sand widely used in foundry industry. It is a kind of particulate reinforced resin matrix composites from the point of view of its micro-structure. Previous studies on resin sand were mostly based on experimental and mathematical analytical models. The effects of resin content, resin strength and size of raw sand on the strength of resin sand were studied. However, the effects of spatial structure of resin sand and curvature of bonding bridge on the strength of resin sand at room temperature were neglected.

In this paper, the micro-structure of resin sand is characterized by various characterization methods. Considering the micro-structure of resin sand, an ideal three-dimensional cell model of resin sand is established by using finite element software ABAQUS. Extended finite element method (XFEM) is used to do numerical simulation for the fracture property of resin sand. The fracture properties of resin sand were tested.

The results show that the spatial distribution of sand particles is complex, and the resin distribution is not uniform. With the increase of resin content, the curvature of bonding bridge decreases, the strength of resin sand increases, and the specific strength increases first and then decreases.With the increase of resin strength, the tensile strength of resin sand will increase. The tensile strength of resin sand increase from 9MPa to 15MPa, and the tensile strength of resin sand will increase by 27%. Increasing the interface strength can significantly improve the tensile strength of resin sand, the interface strength will increase from 6.5MPa to 12.3MPa, and the tensile strength of resin sand will increase by 77%.

Key Words：resin sand；micro-structure；fracture properties；unit-cell model；numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 树脂砂的概述 1

1.2.1 树脂砂的分类 2

1.2.2 树脂砂的特点 2

1.3 有限元软件介绍 3

1.3.1 有限元法 3

1.3.2 ABAQUS软件 4

1.4树脂砂研究现状 5

1.5 本课题研究的意义、目的和主要内容 6

1.5.1课题研究的目的和意义 6

1.5.2 课题研究的主要内容 6

第2章 树脂砂微细观结构的表征 8

2.1 所用试剂、原材料及设备 8

2.2 样品制备 8

2.2.1 树脂砂制备 8

2.2.2 表面磨抛 8

2.2.3 表面处理 9

2.3 微细观结构表征 10

2.3.1 光学显微镜 10

2.3.2 扫描电子显微镜 10

2.3.3 高分辨三维X射线显微成像系统 12

2.4 结果与讨论 13

2.4.1 光学显微镜 13

2.4.2 扫描电子显微镜 13

2.4.3 高分辨三维X射线显微成像系统 14

第3章 树脂砂结构有限元计算 15

3.1树脂砂模型建模 15

3.1.1模型建立 15

3.1.2 参数设置 15

3.2 计算结果分析与讨论 17

3.2.1 树脂加入量对树脂砂拉伸强度影响 18

3.2.2 树脂强度对树脂砂拉伸强度影响 18

3.2.3 界面强度对树脂砂拉伸强度影响 19

第4章 树脂砂断裂性能的表征 20

4.1 样品的制备 20

4.2断裂性能表征 20

4.3 结果与讨论 20

第5章 结论 22

参考文献 23

致 谢 25

论文所用原材料费用一览表 26

论文测试及分析费用一览表 27

第1章 绪论

1.1引言

进入二十一世纪，科学技术进步迅猛，多学科交叉发展是主流，材料作为物质基础，是工业、农业等各行各业的进步都离不开的重要因素，随着这些产业的发展，对材料的性能、成本、环保要求也在不断提高，这也进一步的推动了材料科学和材料产业的发展。

近年来，我国制造业持续快速发展，建成了完整的产业体系，然而，与世界先进水平相比，中国制造业仍有着明显差距，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。机械制造工业是国民经济的基础，铸造工业是机械制造业中不可缺少的重要组成部分，因此，加快铸造工业的发展对于推进中国制造业升级有着重要意义。中国是世界上最大的铸件生产国，自21世纪以来，我国的铸件生产量保持稳定增长，到了2018 年，我国各类铸件总产量接近5000万吨^[1]，占到世界铸件总产量的 30%以上。在多种铸造方式中，由于砂型铸造具有工艺简单、生产成本低等优点，在全球范围内被普遍采用，由砂型铸造生产的铸件约占铸件生产总量的80%。

国务院印发的《中国制造2025》中将新材料列为十个重点领域之一^[2]，其中就包括了复合材料。复合材料是指将两种或两种以上的不同材料，用适当的方法复合成一种新材料，其性能比单一材料性能优越。复合材料一般由基体和增强体两部分组成，根据增强体的形态不同可分为纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。从微观结构来看，树脂砂是一种颗粒增强树脂基复合材料^[3]，用树脂砂生产的铸件具有表面粗糙度小、尺寸精度高等优点，酚醛树脂砂可以回收利用^[4], 从而减少环境污染，这符合可持续利用的绿色铸造要求，因此日益受到市场的青睐，得到了迅速发展，成为铸造市场的主流产品之一。