ZrB2-SiC基超高溫陶瓷材料熱沖擊失效行為的研究.pdf

1、硼化物基超高溫陶瓷材料(ultra high temperature ceramic簡(jiǎn)稱(chēng)UHTC)具有高熔點(diǎn)、耐腐蝕、在高溫下能夠保持力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而該材料成為新型天地往返飛行器、高超聲速飛行器和火箭推進(jìn)系統(tǒng)等最具前景的候選材料。但由于陶瓷材料的本征脆性，使得 UHTC在熱沖擊環(huán)境下容易發(fā)生災(zāi)難性的破壞。大幅度提高 UHTC的抗熱沖擊性能、對(duì) UHTC的抗熱沖擊性能進(jìn)行合理準(zhǔn)確的表征是有待解決的問(wèn)題?；诖吮尘?，本文圍

2、繞 UHTC的熱沖擊失效問(wèn)題主要開(kāi)展了以下幾方面的工作：
　　提高材料的斷裂性能可以在一定程度上提高材料的抗熱沖擊性能，因此本文首先從影響斷裂性能的主要因素入手，分析材料的殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)變速率和應(yīng)力集中狀態(tài)對(duì)材料斷裂行為的影響，為提高材料的抗熱沖擊性能提供指導(dǎo)。結(jié)果表明：ZrB2晶粒熱膨脹各向異性產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不可忽略，異常長(zhǎng)大的ZrB2晶粒周?chē)Ы缫约熬Ы缒茌^低處是容易發(fā)生晶界損傷或開(kāi)裂的位置，控制ZrB2晶粒尺寸的大小

3、以及尺寸分布的均勻性對(duì)提高材料的斷裂性能具有重要的意義；在UHTC中添加C形成的石墨片層微觀結(jié)構(gòu)能夠提高UHTC的裂紋擴(kuò)展阻力，增大晶粒尺度也能提高UHTC的裂紋擴(kuò)展阻力，但后者對(duì)裂紋擴(kuò)展阻力的提升幅度相對(duì)較?。煌ㄟ^(guò)對(duì)UHTC進(jìn)行不同加載速率的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)變速率下測(cè)試得到的材料強(qiáng)度各異，即應(yīng)變速率對(duì)彎曲應(yīng)力存在一定的貢獻(xiàn)，應(yīng)變速率越大對(duì)彎曲應(yīng)力的貢獻(xiàn)越大；針對(duì)添加C的UHTC切口試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，C的添加能夠

4、降低材料的切口敏感性，因此在UHTC中添加適量C可以降低構(gòu)件形狀過(guò)渡處的應(yīng)力集中狀態(tài)。
　　采用淬火方法研究UHTC的抗熱沖擊性能，主要從UHTC的微觀結(jié)構(gòu)和淬火環(huán)境兩個(gè)方面研究影響 UHTC抗熱沖擊性能的因素及規(guī)律。結(jié)果表明：由于石墨片層微觀結(jié)構(gòu)能夠很大程度上提高材料的裂紋擴(kuò)展阻力，所以添加 C的UHTC淬火后具有相對(duì)較高的剩余強(qiáng)度保持率；晶粒尺度的減小提高了UHTC的材料強(qiáng)度，從而提高了 UHTC的臨界淬火溫差，但由于工藝所限

5、，較小晶粒尺度的UHTC的材料強(qiáng)度分散性較大，淬火后材料的力學(xué)性能穩(wěn)定性較差；淬火后材料的表面裂紋密度不是剩余強(qiáng)度衰減的主要影響因素，裂紋擴(kuò)展深度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，因此裂紋擴(kuò)展深度是影響剩余強(qiáng)度的主要因素；不同介質(zhì)與UHTC之間的換熱系數(shù)不同，所以同一材料在不同介質(zhì)中淬火表現(xiàn)出的抗熱沖擊性能不同。通過(guò)有限元分析表明，表面換熱系數(shù)與淬火溫差都是通過(guò)影響表面換熱速率使材料發(fā)生破壞的，即控制熱沖擊破壞行為的本質(zhì)因素是材料表面的換熱速率。

6、>　　建立考慮應(yīng)變速率影響的熱沖擊理論模型和淬火過(guò)程中試樣表面裂紋的擴(kuò)展模型，并針對(duì)ZrB2+20％SiC+5%AlN這種材料的淬火熱應(yīng)力及裂紋擴(kuò)展深度進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：淬火過(guò)程中的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力遠(yuǎn)大于準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力，因此淬火過(guò)程中需要考慮動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的影響；對(duì)于非貫穿的表面裂紋，在整個(gè)淬火過(guò)程中的擴(kuò)展深度c<0.6H(H=1.5mm，為試樣半厚)，與淬火試驗(yàn)(0.2H　　搭建UHTC局部快速升溫試驗(yàn)平

7、臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)材料局部升溫?zé)釠_擊提供一種簡(jiǎn)單易行的方法。利用該設(shè)備對(duì)ZrB2+20%SiC和ZrB2+20%SiC+10%C進(jìn)行局部熱沖擊試驗(yàn)表征。結(jié)果表明：UHTC局部升溫速率可達(dá)500℃/s，可以實(shí)現(xiàn)局部熱沖擊；通過(guò)計(jì)算分析得出，在試驗(yàn)過(guò)程中UHTC內(nèi)部ZrB2和SiC之間熱膨脹不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠(yuǎn)大于溫度梯度引起的熱應(yīng)力，但產(chǎn)生裂紋的方向由后者產(chǎn)生的熱應(yīng)力控制；由于ZrB2+20%SiC+10%C具有相對(duì)較高的裂紋擴(kuò)展阻力，這種材料在