CuW合金的宏細觀損傷及裂紋演變模擬分析.pdf

1、作為高溫結(jié)構(gòu)材料，CuW合金在熱沖擊過程中，瞬間產(chǎn)生的溫度載荷引起的溫度梯度，導致合金內(nèi)部產(chǎn)生很大的宏觀熱應力。同時，由于CuW合金中Cu、W兩相的力學及熱物理性能差異懸殊，在細觀上不同相之間也會出現(xiàn)較大的應力。反復熱沖擊作用下，合金中的各相出現(xiàn)不同程度的損傷，促使微裂紋的形核并擴展，最終導致CuW合金表面出現(xiàn)塊狀剝落。因此，研究熱沖擊載荷下CuW合金中的損傷及微裂紋演變機理，對于CuW合金的設計以及使用壽命的有效評估，具有重要的指導意

2、義。本課題分別從宏觀和細觀尺度對CuW合金的損傷及裂紋演變進行了深入的研究。
　　為了分析CuW合金在宏觀上的破壞機理，應用有限元方法分析了CuW合金在高壓電弧熱沖擊作用下的溫度場分布，并基于熱彈性效應，研究了合金內(nèi)部熱應力的變化。分析溫度場可知，電弧作用區(qū)域內(nèi)合金的表面溫度急劇升高，滅弧后溫度快速下降。依據(jù)溫度場分布，將加熱區(qū)劃分為汽化區(qū)、液化區(qū)及液固共存區(qū)。根據(jù)應力分布可知，CuW合金的破壞部位一般出現(xiàn)在熔池底部及加熱區(qū)邊緣處

3、。在熱沖擊載荷作用的初始階段，熱應力促使裂紋形核，裂紋在隨后的拉應力作用下擴展。
　　通過水冷熱沖擊實驗，研究了CuW合金在熱沖擊后的宏觀性能損傷。結(jié)果表明，多次熱沖擊后，CuW合金的強度降低，呈現(xiàn)不同程度的損傷。通過分析高壓電弧熱沖擊作用后的CuW合金微觀組織，進一步證實了CuW合金在電弧作用下表面形成鎢層、鎢骨架層及銅鎢層的層狀組織這一模擬結(jié)論，其中表面重凝產(chǎn)生的鎢層易引起微裂紋的形核。通過有限元計算可知，熱沖擊載荷的反復作用

4、下，層狀組織的存在導致表面溫度及熱應力的增大，加劇了表面裂紋的形核與擴展，并且由于橫向應力的決定性作用，微裂紋優(yōu)先向縱深方向擴展。
　　根據(jù)CuW假合金的兩相微觀組織，基于Voronoi技術建立了CuW合金細觀模型。通過分析拉伸載荷下的剪切滑移帶可知，CuW合金的強度主要取決鎢骨架的強度，即鎢顆粒之間的結(jié)合狀態(tài)——燒結(jié)頸的形狀、數(shù)量及尺寸，而Cu在鎢骨架中的分布則影響CuW合金的韌性。CuW合金中的微裂紋一般萌生于W/W及W/Cu

5、界面處，然后沿著界面擴展。CuW合金的變形和斷裂順序依次為:鎢顆粒相互分離、W/Cu界面接著開裂、韌性銅相的撕裂。
　　通過Gurson修正模型，研究了單次熱沖擊載荷作用下細觀尺度上CuW合金的損傷演變及其導致的微裂紋的形核及擴展過程。熱沖擊過程中，CuW合金的損傷及其引起的微裂紋首先形核于鎢顆粒的棱角處，然后沿著Cu/W界面擴展。隨著載荷的遞增，微裂紋擴展進入此鎢顆粒相鄰的銅相，并朝著相鄰鎢顆粒的棱角處擴展。微裂紋擴展路徑的計算

6、分析與試驗結(jié)果完全吻合。通過計算微裂紋擴展路徑上的應力分布可知，Cu/W界面上的損傷及其所引起的微裂紋取決于正應力及剪應力的大小，其中剪應力的影響更大;而銅相中的損傷及其所引起的微裂紋主要依賴于正應力的作用。
　　應用Darveaux模型分析了在循環(huán)載荷作用下，CuW合金在細觀尺度上的損傷、微裂紋的產(chǎn)生及擴展行為。通過有限元計算可知，較低幅值的低周疲勞載荷對CuW合金的性能不會產(chǎn)生影響，無損傷發(fā)生，CuW合金處于彈性安定狀態(tài)下。隨