本文關(guān)鍵詞：ZrB_2基超高溫陶瓷高溫本構(gòu)關(guān)系及斷裂行為研究

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【摘要】：Zr B2基超高溫陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率和高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為高溫陶瓷基復(fù)合材料中的佼佼者,也是應(yīng)用于飛行器等熱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的首選材料。鑒于超高溫陶瓷材料的本征脆性與高溫、高速應(yīng)用環(huán)境,其高溫力學(xué)行為與動(dòng)態(tài)性能研究工作需要深入開(kāi)展,同時(shí)高溫破壞機(jī)制分析也是超高溫陶瓷材料應(yīng)用的重要前提。本文針對(duì)Zr B2-Si C-G超高溫陶瓷復(fù)合材料,研究溫度與應(yīng)變率對(duì)材料力學(xué)行為的影響規(guī)律,從高溫力學(xué)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)、破壞機(jī)理分析、本構(gòu)模型建立及抗熱沖擊性能分析五個(gè)方面展開(kāi)研究,為高溫、高速條件下Zr B2基超高溫陶瓷材料力學(xué)行為表征與失效分析奠定基礎(chǔ)。首先,通過(guò)室溫及高溫拉伸實(shí)驗(yàn),研究了Zr B2-Si C-G復(fù)合材料的高溫拉伸行為,獲得了溫度對(duì)拉伸模量、強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系非線性的影響規(guī)律。基于溫度對(duì)彈性模量的衰減作用,提出材料熱損傷變量形式;根據(jù)拉伸強(qiáng)度分散性統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,給出材料機(jī)械損傷變量形式,結(jié)合熱和機(jī)械損傷演化方程,建立了超高溫陶瓷材料的高溫?fù)p傷本構(gòu)模型,該模型可以預(yù)測(cè)材料的脆-韌轉(zhuǎn)變溫度及臨界機(jī)械損傷值,揭示溫度對(duì)Zr B2-Si C-G復(fù)合材料破壞機(jī)理的影響。編制高溫?fù)p傷本構(gòu)模型子程序,計(jì)算不同溫度下拉伸試件內(nèi)部變形、應(yīng)力及機(jī)械損傷分布情況,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證其適用性。其次,開(kāi)展了室溫及高溫?cái)嗔秧g性測(cè)試,獲得溫度對(duì)Zr B2-Si C-G復(fù)合材料斷裂韌性的影響規(guī)律,結(jié)合材料宏微觀形貌,分析該規(guī)律的影響因素,結(jié)果表明溫度對(duì)Zr B2-Si C-G復(fù)合材料的斷裂行為影響顯著,低于脆-韌轉(zhuǎn)變溫度時(shí),材料表現(xiàn)出脆性斷裂模式,高于脆-韌轉(zhuǎn)變溫度時(shí),斷裂模式以延性斷裂為主。在室溫至1300?C范圍內(nèi)殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致斷裂韌性逐漸降低,而在1300~1600?C之間裂紋尖端的塑性流動(dòng)使斷裂韌性有一小幅度回升,但當(dāng)溫度達(dá)到1800?C時(shí),基體Zr B2顆粒尺寸增長(zhǎng)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)孔洞及裂紋,明顯降低材料斷裂韌性。另外,800~1300?C有氧環(huán)境下,預(yù)氧化作用明顯提高了Zr B2-Si C-G復(fù)合材料的斷裂韌性。此外,建立了無(wú)切口及單邊切口梁有限元模型,應(yīng)用高溫?fù)p傷本構(gòu)模型計(jì)算彎曲狀態(tài)下Zr B2-Si C-G材料內(nèi)應(yīng)力及機(jī)械損傷分布,分析了溫度對(duì)材料缺陷敏感性的影響,結(jié)果顯示:脆-韌轉(zhuǎn)變溫度以下,單邊切口梁試件的機(jī)械損傷度明顯小于無(wú)切口梁,而1400?C以上,單邊切口梁試件的機(jī)械損傷度與無(wú)切口梁相近,說(shuō)明高溫時(shí)材料缺陷敏感降低,與高溫強(qiáng)度分散性降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。開(kāi)展了室溫與800?C下靜態(tài)與動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn),表明應(yīng)變率對(duì)Zr B2-Si C-G復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示室溫與800?C下該材料均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。隨著應(yīng)變率升高,材料壓縮強(qiáng)度逐漸升高,碎片尺寸逐漸減小。通過(guò)斷口微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè),討論了應(yīng)變率對(duì)Zr B2-Si C-G復(fù)合材料破壞模式的影響。同時(shí)針對(duì)應(yīng)變率對(duì)動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度和碎片尺寸的影響,分別采用理論模型進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。最后,考慮慣性項(xiàng)與耦合項(xiàng)影響,對(duì)Zr B2-Si C-G復(fù)合材料的熱沖擊問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。根據(jù)試件尺寸及水淬實(shí)驗(yàn)條件,建立有限元模型,采用隨溫度變化的材料參數(shù),計(jì)算了加熱及冷卻條件下,Zr B2-Si C-G復(fù)合材料的熱應(yīng)力。結(jié)果表明熱沖擊過(guò)程中慣性項(xiàng)作用遠(yuǎn)大于耦合項(xiàng),隨表面換熱系數(shù)的增大,熱應(yīng)力不斷增大,慣性項(xiàng)影響程度增強(qiáng),400?C水淬條件下該材料的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力最大值約為靜態(tài)的1.33倍。結(jié)合動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以選用熱斷裂準(zhǔn)則來(lái)評(píng)價(jià)Zr B2-Si C-G復(fù)合材料的抗熱沖擊性能。
【關(guān)鍵詞】：ZrB2基超高溫陶瓷 高溫力學(xué)性能 動(dòng)態(tài)壓縮 高溫?fù)p傷本構(gòu)模型 抗熱沖擊性能
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ174.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-36
• 1.1 課題背景及研究意義14-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-34
• 1.2.1 陶瓷材料高溫力學(xué)性能研究16-20
• 1.2.2 陶瓷材料靜態(tài)本構(gòu)關(guān)系研究20-24
• 1.2.3 脆性材料動(dòng)態(tài)性能研究24-26
• 1.2.4 脆性材料斷裂行為研究26-29
• 1.2.5 陶瓷材料抗熱沖擊性能29-32
• 1.2.6 超高溫陶瓷高溫氧化行為32-34
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容34-36
• 第2章 ZrB_2基UHTC復(fù)合材料高溫拉伸行為研究36-60
• 2.1 引言36-37
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析37-45
• 2.2.1 拉伸試件準(zhǔn)備37
• 2.2.2 拉伸實(shí)驗(yàn)條件37-38
• 2.2.3 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析38-45
• 2.3 高溫拉伸損傷本構(gòu)模型45-52
• 2.3.1 機(jī)械損傷演化方程45-46
• 2.3.2 熱損傷演化方程46-47
• 2.3.3 高溫?fù)p傷本構(gòu)模型預(yù)測(cè)結(jié)果47-52
• 2.4 高溫拉伸損傷行為數(shù)值模擬52-59
• 2.5 本章小結(jié)59-60
• 第3章 ZrB_2基UHTC復(fù)合材料高溫彎曲及斷裂行為研究60-84
• 3.1 引言60-61
• 3.2 室溫彎曲模量與強(qiáng)度測(cè)試61-63
• 3.3 室溫及高溫?cái)嗔秧g性測(cè)試63-65
• 3.4 高溫?cái)嗔秧g性影響因素65-74
• 3.4.1 預(yù)氧化對(duì)高溫?cái)嗔秧g性的影響65-68
• 3.4.2 溫度對(duì)真空下高溫?cái)嗔秧g性的影響68-74
• 3.5 超高溫陶瓷高溫彎曲及損傷有限元模擬74-82
• 3.5.1 無(wú)切.梁結(jié)果分析75-76
• 3.5.2 單邊切.梁結(jié)果分析76-79
• 3.5.3 缺陷敏感性分析79-82
• 3.6 本章小結(jié)82-84
• 第4章 ZrB_2基UHTC復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮行為研究84-102
• 4.1 引言84-85
• 4.2 超高溫陶瓷材料單軸靜態(tài)壓縮85-87
• 4.2.1 靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)85
• 4.2.2 靜態(tài)壓縮強(qiáng)度85-87
• 4.2.3 靜態(tài)壓縮破壞模式87
• 4.3 超高溫陶瓷材料靜態(tài)室溫壓縮模量87-88
• 4.4 超高溫陶瓷動(dòng)態(tài)壓縮性能88-98
• 4.4.1 動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)88-90
• 4.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析90-98
• 4.5 動(dòng)態(tài)壓縮損傷本構(gòu)模型98-100
• 4.6 本章小結(jié)100-102
• 第5章 ZrB_2基UHTC復(fù)合材料抗熱沖擊性能研究102-125
• 5.1 引言102-103
• 5.2 動(dòng)態(tài)熱彈性方程103-107
• 5.3 熱沖擊有限元模擬107-119
• 5.3.1 一維冷卻沖擊條件109-113
• 5.3.2 三維冷卻沖擊條件113-116
• 5.3.3 三維加熱沖擊條件116-119
• 5.4 熱沖擊失效準(zhǔn)則119-123
• 5.4.1 熱斷裂理論120-121
• 5.4.2 熱損傷理論121-123
• 5.5 本章小結(jié)123-125
• 結(jié)論125-127
• 參考文獻(xiàn)127-143
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果143-146
• 致謝146-147
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷147

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本文編號(hào)：807431