ZrB_2基超高温陶瓷高温本构关系及断裂行为研究

发布时间：2017-09-07 04:31

  本文关键词：ZrB_2基超高温陶瓷高温本构关系及断裂行为研究

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【摘要】：Zr B2基超高温陶瓷材料具有高熔点、高热导率和高强度等优点,已经成为高温陶瓷基复合材料中的佼佼者,也是应用于飞行器等热结构关键部位的首选材料。鉴于超高温陶瓷材料的本征脆性与高温、高速应用环境,其高温力学行为与动态性能研究工作需要深入开展,同时高温破坏机制分析也是超高温陶瓷材料应用的重要前提。本文针对Zr B2-Si C-G超高温陶瓷复合材料,研究温度与应变率对材料力学行为的影响规律,从高温力学实验、动态压缩实验、破坏机理分析、本构模型建立及抗热冲击性能分析五个方面展开研究,为高温、高速条件下Zr B2基超高温陶瓷材料力学行为表征与失效分析奠定基础。首先,通过室温及高温拉伸实验,研究了Zr B2-Si C-G复合材料的高温拉伸行为,获得了温度对拉伸模量、强度及本构关系非线性的影响规律。基于温度对弹性模量的衰减作用,提出材料热损伤变量形式;根据拉伸强度分散性统计分布规律,给出材料机械损伤变量形式,结合热和机械损伤演化方程,建立了超高温陶瓷材料的高温损伤本构模型,该模型可以预测材料的脆-韧转变温度及临界机械损伤值,揭示温度对Zr B2-Si C-G复合材料破坏机理的影响。编制高温损伤本构模型子程序,计算不同温度下拉伸试件内部变形、应力及机械损伤分布情况,并与实验结果进行对比,验证其适用性。其次,开展了室温及高温断裂韧性测试,获得温度对Zr B2-Si C-G复合材料断裂韧性的影响规律,结合材料宏微观形貌,分析该规律的影响因素,结果表明温度对Zr B2-Si C-G复合材料的断裂行为影响显著,低于脆-韧转变温度时,材料表现出脆性断裂模式,高于脆-韧转变温度时,断裂模式以延性断裂为主。在室温至1300?C范围内残余应力释放导致断裂韧性逐渐降低,而在1300~1600?C之间裂纹尖端的塑性流动使断裂韧性有一小幅度回升,但当温度达到1800?C时,基体Zr B2颗粒尺寸增长导致材料内部出现孔洞及裂纹,明显降低材料断裂韧性。另外,800~1300?C有氧环境下,预氧化作用明显提高了Zr B2-Si C-G复合材料的断裂韧性。此外,建立了无切口及单边切口梁有限元模型,应用高温损伤本构模型计算弯曲状态下Zr B2-Si C-G材料内应力及机械损伤分布,分析了温度对材料缺陷敏感性的影响,结果显示:脆-韧转变温度以下,单边切口梁试件的机械损伤度明显小于无切口梁,而1400?C以上,单边切口梁试件的机械损伤度与无切口梁相近,说明高温时材料缺陷敏感降低,与高温强度分散性降低的实验结果一致。开展了室温与800?C下静态与动态压缩实验,表明应变率对Zr B2-Si C-G复合材料压缩力学性能的影响。结果显示室温与800?C下该材料均表现出明显的应变率效应。随着应变率升高,材料压缩强度逐渐升高,碎片尺寸逐渐减小。通过断口微观结构观测,讨论了应变率对Zr B2-Si C-G复合材料破坏模式的影响。同时针对应变率对动态压缩强度和碎片尺寸的影响,分别采用理论模型进行分析,预测与实验结果基本吻合。最后,考虑惯性项与耦合项影响,对Zr B2-Si C-G复合材料的热冲击问题进行数值计算。根据试件尺寸及水淬实验条件,建立有限元模型,采用随温度变化的材料参数,计算了加热及冷却条件下,Zr B2-Si C-G复合材料的热应力。结果表明热冲击过程中惯性项作用远大于耦合项,随表面换热系数的增大,热应力不断增大,惯性项影响程度增强,400?C水淬条件下该材料的动态热应力最大值约为静态的1.33倍。结合动态压缩实验结果,可以选用热断裂准则来评价Zr B2-Si C-G复合材料的抗热冲击性能。
【关键词】：ZrB2基超高温陶瓷 高温力学性能 动态压缩 高温损伤本构模型 抗热冲击性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-36
• 1.1 课题背景及研究意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-34
• 1.2.1 陶瓷材料高温力学性能研究16-20
• 1.2.2 陶瓷材料静态本构关系研究20-24
• 1.2.3 脆性材料动态性能研究24-26
• 1.2.4 脆性材料断裂行为研究26-29
• 1.2.5 陶瓷材料抗热冲击性能29-32
• 1.2.6 超高温陶瓷高温氧化行为32-34
• 1.3 本文主要研究内容34-36
• 第2章 ZrB_2基UHTC复合材料高温拉伸行为研究36-60
• 2.1 引言36-37
• 2.2 实验方法与结果分析37-45
• 2.2.1 拉伸试件准备37
• 2.2.2 拉伸实验条件37-38
• 2.2.3 拉伸实验结果分析38-45
• 2.3 高温拉伸损伤本构模型45-52
• 2.3.1 机械损伤演化方程45-46
• 2.3.2 热损伤演化方程46-47
• 2.3.3 高温损伤本构模型预测结果47-52
• 2.4 高温拉伸损伤行为数值模拟52-59
• 2.5 本章小结59-60
• 第3章 ZrB_2基UHTC复合材料高温弯曲及断裂行为研究60-84
• 3.1 引言60-61
• 3.2 室温弯曲模量与强度测试61-63
• 3.3 室温及高温断裂韧性测试63-65
• 3.4 高温断裂韧性影响因素65-74
• 3.4.1 预氧化对高温断裂韧性的影响65-68
• 3.4.2 温度对真空下高温断裂韧性的影响68-74
• 3.5 超高温陶瓷高温弯曲及损伤有限元模拟74-82
• 3.5.1 无切.梁结果分析75-76
• 3.5.2 单边切.梁结果分析76-79
• 3.5.3 缺陷敏感性分析79-82
• 3.6 本章小结82-84
• 第4章 ZrB_2基UHTC复合材料动态压缩行为研究84-102
• 4.1 引言84-85
• 4.2 超高温陶瓷材料单轴静态压缩85-87
• 4.2.1 静态压缩实验85
• 4.2.2 静态压缩强度85-87
• 4.2.3 静态压缩破坏模式87
• 4.3 超高温陶瓷材料静态室温压缩模量87-88
• 4.4 超高温陶瓷动态压缩性能88-98
• 4.4.1 动态压缩实验88-90
• 4.4.2 实验结果分析90-98
• 4.5 动态压缩损伤本构模型98-100
• 4.6 本章小结100-102
• 第5章 ZrB_2基UHTC复合材料抗热冲击性能研究102-125
• 5.1 引言102-103
• 5.2 动态热弹性方程103-107
• 5.3 热冲击有限元模拟107-119
• 5.3.1 一维冷却冲击条件109-113
• 5.3.2 三维冷却冲击条件113-116
• 5.3.3 三维加热冲击条件116-119
• 5.4 热冲击失效准则119-123
• 5.4.1 热断裂理论120-121
• 5.4.2 热损伤理论121-123
• 5.5 本章小结123-125
• 结论125-127
• 参考文献127-143
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果143-146
• 致谢146-147
• 个人简历147

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