CuW合金的宏細(xì)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(guò)程中，瞬間產(chǎn)生的溫度載荷引起的溫度梯度，導(dǎo)致合金內(nèi)部產(chǎn)生很大的宏觀熱應(yīng)力。同時(shí)，由于CuW合金中Cu、W兩相的力學(xué)及熱物理性能差異懸殊，在細(xì)觀上不同相之間也會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力。反復(fù)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(kuò)展，最終導(dǎo)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(jī)理，對(duì)于CuW合金的設(shè)計(jì)以及使用壽命的有效評(píng)估，具有重要的指導(dǎo)意

2、義。本課題分別從宏觀和細(xì)觀尺度對(duì)CuW合金的損傷及裂紋演變進(jìn)行了深入的研究。
　　為了分析CuW合金在宏觀上的破壞機(jī)理，應(yīng)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(chǎng)分布，并基于熱彈性效應(yīng)，研究了合金內(nèi)部熱應(yīng)力的變化。分析溫度場(chǎng)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(chǎng)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(yīng)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(yīng)力促使裂紋形核，裂紋在隨后的拉應(yīng)力作用下擴(kuò)展。
　　通過(guò)水冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)度降低，呈現(xiàn)不同程度的損傷。通過(guò)分析高壓電弧熱沖擊作用后的CuW合金微觀組織，進(jìn)一步證實(shí)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(guò)有限元計(jì)算可知，熱沖擊載荷的反復(fù)作用

4、下，層狀組織的存在導(dǎo)致表面溫度及熱應(yīng)力的增大，加劇了表面裂紋的形核與擴(kuò)展，并且由于橫向應(yīng)力的決定性作用，微裂紋優(yōu)先向縱深方向擴(kuò)展。
　　根據(jù)CuW假合金的兩相微觀組織，基于Voronoi技術(shù)建立了CuW合金細(xì)觀模型。通過(guò)分析拉伸載荷下的剪切滑移帶可知，CuW合金的強(qiáng)度主要取決鎢骨架的強(qiáng)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(kuò)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(kāi)裂、韌性銅相的撕裂。
　　通過(guò)Gurson修正模型，研究了單次熱沖擊載荷作用下細(xì)觀尺度上CuW合金的損傷演變及其導(dǎo)致的微裂紋的形核及擴(kuò)展過(guò)程。熱沖擊過(guò)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(kuò)展。隨著載荷的遞增，微裂紋擴(kuò)展進(jìn)入此鎢顆粒相鄰的銅相，并朝著相鄰鎢顆粒的棱角處擴(kuò)展。微裂紋擴(kuò)展路徑的計(jì)算

6、分析與試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。通過(guò)計(jì)算微裂紋擴(kuò)展路徑上的應(yīng)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(yīng)力及剪應(yīng)力的大小，其中剪應(yīng)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(yīng)力的作用。
　　應(yīng)用Darveaux模型分析了在循環(huán)載荷作用下，CuW合金在細(xì)觀尺度上的損傷、微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展行為。通過(guò)有限元計(jì)算可知，較低幅值的低周疲勞載荷對(duì)CuW合金的性能不會(huì)產(chǎn)生影響，無(wú)損傷發(fā)生，CuW合金處于彈性安定狀態(tài)下。隨