ZrB2基超高溫陶瓷高溫本構(gòu)關(guān)系及斷裂行為研究.pdf

1、ZrB2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)行為與動態(tài)性能研究工作需要深入開展，同時高溫破壞機(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ZrB2-SiC-G超高溫陶瓷復(fù)合材料，研究溫度與應(yīng)變率對材料力學(xué)行為的影響規(guī)律，從高溫力學(xué)實驗、動態(tài)壓縮實驗、破壞機(jī)理分析、本

2、構(gòu)模型建立及抗熱沖擊性能分析五個方面展開研究，為高溫、高速條件下 ZrB2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，通過室溫及高溫拉伸實驗，研究了ZrB2-SiC-G復(fù)合材料的高溫拉伸行為，獲得了溫度對拉伸模量、強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系非線性的影響規(guī)律?；跍囟葘椥阅Ａ康乃p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)

3、模型，該模型可以預(yù)測材料的脆-韌轉(zhuǎn)變溫度及臨界機(jī)械損傷值，揭示溫度對 ZrB2-SiC-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，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證其適用性。
　　其次，開展了室溫及高溫斷裂韌性測試，獲得溫度對 ZrB2-SiC-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ZrB2-SiC-G復(fù)合材料的斷裂行為影響

4、顯著，低于脆-韌轉(zhuǎn)變溫度時，材料表現(xiàn)出脆性斷裂模式，高于脆-韌轉(zhuǎn)變溫度時，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使斷裂韌性有一小幅度回升，但當(dāng)溫度達(dá)到1800?C時，基體ZrB2顆粒尺寸增長導(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ZrB2-SiC-G復(fù)合材料的斷裂韌性。

5、　　此外，建立了無切口及單邊切口梁有限元模型，應(yīng)用高溫?fù)p傷本構(gòu)模型計算彎曲狀態(tài)下 ZrB2-SiC-G材料內(nèi)應(yīng)力及機(jī)械損傷分布，分析了溫度對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切口梁，而1400?C以上，單邊切口梁試件的機(jī)械損傷度與無切口梁相近，說明高溫時材料缺陷敏感降低，與高溫強(qiáng)度分散性降低的實驗結(jié)果一致。
　　開展了室溫與800?C下靜態(tài)與動態(tài)壓縮實驗，表明應(yīng)變率對 ZrB2

6、-SiC-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。通過斷口微觀結(jié)構(gòu)觀測，討論了應(yīng)變率對 ZrB2-SiC-G復(fù)合材料破壞模式的影響。同時針對應(yīng)變率對動態(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)測與實驗結(jié)果基本吻合。
　　最后，考慮慣性項與耦合項影響，對 ZrB2-SiC-G復(fù)合材料的熱沖擊問題進(jìn)行數(shù)值計算。根據(jù)試件