熱沖擊條件下含表面裂紋的UHTC破壞行為研究.pdf

1、超高溫陶瓷材料（UHTC）具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，使其成為高溫環(huán)境下和反應(yīng)氣氛環(huán)境中的導(dǎo)彈和高超聲速飛行器最具前景的候選材料之一，具有在如超聲速飛行，重返大氣層及火箭推進(jìn)等極端環(huán)境下服役的潛力，能夠應(yīng)用于包括飛行器鼻錐、機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)熱端等各種關(guān)鍵部位和部件。然而，在制備、加工、裝配過(guò)程中會(huì)在材料表面和內(nèi)部形成缺陷，主要以表面裂紋的形式出現(xiàn)，將直接影響材料的應(yīng)用范圍和可靠性，研究表面裂紋對(duì)材料性能的影響，尤其是對(duì)材料

2、抗熱沖擊性能，熱沖擊損傷行為的影響具有重要的意義?；诖?，本文圍繞含有表面裂紋的ZrB2+20％SiC+10%AlN（ZS10A），研究其熱沖擊損傷行為的影響因素及損傷機(jī)制，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：
　　搭建UHTC局部快速升溫試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行的材料局部快速熱沖擊方法。利用該設(shè)備對(duì)含表面裂紋缺陷的ZrB2+20%SiC+10%AlN超高溫陶瓷材料進(jìn)行局部熱沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明：在快速熱沖擊條件下，熱沖擊失效行為與升溫速率有關(guān)，

3、通過(guò)改變輸入電流以獲得不同的升溫速率200℃/s，500℃/s，800℃/s，得到臨界破壞點(diǎn)溫度與升溫速率之間的線性關(guān)系；通過(guò)Abaqus有限元軟件模擬分析，得到熱沖擊過(guò)程中試樣的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布，進(jìn)一步分析試樣失效機(jī)制，為在實(shí)際應(yīng)用中材料性能的評(píng)估提供了依據(jù)。
　　UHTC的熱沖擊損傷行為主要通過(guò)表面裂紋擴(kuò)展程度和熱沖擊后剩余強(qiáng)度兩個(gè)方面衡量。因此選用Vickers硬度儀預(yù)制表面裂紋表征材料表面缺陷，采用淬火法模擬瞬態(tài)熱沖擊過(guò)

4、程，通過(guò)比較熱沖擊前后表面裂紋長(zhǎng)度變化趨勢(shì)、淬火-彎曲試驗(yàn)后材料剩余強(qiáng)度兩方面表征熱沖擊損傷行為，主要從 UHTC材料尺寸效應(yīng)和熱沖擊環(huán)境參數(shù)兩個(gè)方面研究影響 UHTC熱沖擊損傷和抗熱沖擊性能的因素及規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)隨著試樣厚度，初始裂紋長(zhǎng)度的增加而增加，淬火溫差，不同溫度下重復(fù)淬火及同一溫度循環(huán)淬火都將影響裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)。材料臨界淬火溫差、剩余強(qiáng)度隨著試樣厚度，初始裂紋長(zhǎng)度的增加而減小，揭示了材料熱沖擊損傷行為的影響因素

5、。
　　根據(jù)經(jīng)典熱傳導(dǎo)方程，建立淬火過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力模型，同時(shí)考慮應(yīng)變速率對(duì)熱沖擊過(guò)程中熱應(yīng)力的影響，建立淬火動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力模型。針對(duì)表面裂紋特性，引入表面半橢圓形裂紋模型，結(jié)合動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力模型，得到動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力裂紋強(qiáng)度因子計(jì)算公式。針對(duì)ZrB2+20%SiC+10%AlN材料，進(jìn)行淬火動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力、動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子以及應(yīng)用包絡(luò)線法計(jì)算裂紋擴(kuò)展阻力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，淬火過(guò)程中的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力遠(yuǎn)大于準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力，因此淬火過(guò)程中需要考慮動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的