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、高熱導率、高強度和化學穩(wěn)定性，使其成為高溫環(huán)境下和反應氣氛環(huán)境中的導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等極端環(huán)境下服役的潛力，能夠應用于包括飛行器鼻錐、機翼前緣、發(fā)動機熱端等各種關鍵部位和部件。然而，在制備、加工、裝配過程中會在材料表面和內(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用范圍和可靠性，研究表面裂紋對材料性能的影響，尤其是對材料

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制，主要從以下幾個方面進行：
　　搭建UHTC局部快速升溫試驗平臺，實現(xiàn)簡單易行的材料局部快速熱沖擊方法。利用該設備對含表面裂紋缺陷的ZrB2+20%SiC+10%AlN超高溫陶瓷材料進行局部熱沖擊試驗。結果表明：在快速熱沖擊條件下，熱沖擊失效行為與升溫速率有關，

3、通過改變輸入電流以獲得不同的升溫速率200℃/s，500℃/s，800℃/s，得到臨界破壞點溫度與升溫速率之間的線性關系；通過Abaqus有限元軟件模擬分析，得到熱沖擊過程中試樣的溫度場及應力場分布，進一步分析試樣失效機制，為在實際應用中材料性能的評估提供了依據(jù)。
　　UHTC的熱沖擊損傷行為主要通過表面裂紋擴展程度和熱沖擊后剩余強度兩個方面衡量。因此選用Vickers硬度儀預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

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

5、。
　　根據(jù)經(jīng)典熱傳導方程，建立淬火過程準靜態(tài)熱應力模型，同時考慮應變速率對熱沖擊過程中熱應力的影響，建立淬火動態(tài)熱應力模型。針對表面裂紋特性，引入表面半橢圓形裂紋模型，結合動態(tài)熱應力模型，得到動態(tài)熱應力裂紋強度因子計算公式。針對ZrB2+20%SiC+10%AlN材料，進行淬火動態(tài)熱應力、動態(tài)熱應力強度因子以及應用包絡線法計算裂紋擴展阻力。根據(jù)計算結果，淬火過程中的動態(tài)熱應力遠大于準靜態(tài)熱應力，因此淬火過程中需要考慮動態(tài)熱應力的