马志军[1]2002年在《钛基复合材料热残余应力的数值模拟》文中研究说明金属基复合材料(MMC)有两种形式的热应力，一种是在MMC中由于温度梯度引起的热应力，即温度梯度诱导的热应力；另一种是在冷却过程中由于基体金属和纤维的热膨胀系数不匹配引起的热应力，即热膨胀系数不匹配诱导的热应力。显然，热膨胀系数不匹配诱导的热应力是金属基复合材料的一大特征，因为对于大多数金属基复合材料来说，热膨胀系数不匹配是很严重的。必须设法解决。 本文首先利用ANSYS模拟基体材料分别处于理想弹性应力状态和理想弹塑性应力状态时，各种因素诸如纤维排布模式、模量等性能参数是否随温度变化以及复合材料制备温度和压力对热膨胀系数不匹配诱导热应力的影响；另外，我们也对温度梯度诱导热应力进行了一定的研究，分析了各种热处理工艺以及材料制备温度、压力对它的影响。通过以上的模拟，我们尝试将两类应力进行迭加，分析材料内的热残余应力的分布并总结出较为理想的复合材料加工和热处理工艺参数。 鉴于当前钛基复合材料中钛基体的多样性，我们将在各种类型的钛合金和钛铝金属间化合物中，挑选出较为典型的作为研究对象，利用本文得到的较为理想的复合材料加工和热处理工艺参数，逐一模拟它们的残余热应力，找到残余热应力分布较为理想的钛基体，并且，希望能够寻找到材料性能与热残余应力的相互关系，为钛基复合材料基体的选择提供一定的理论指导。
阮绍明[2]2015年在《SiC纤维增强钛基复合材料强度分析方法研究》文中提出随着航空航天工业的不断发展,复合材料在航空航天领域应用前景十分广阔。金属基复合材料由于其良好的材料性能将成为高温结构材料研究的重点。然而,对于单向金属基复合材料的各方面研究还处于初始阶段,需要一个逐步认识、逐步完善的过程。因此,开展对金属基复合材料强度分析方法的研究显得非常有必要。采用细观有限元法模拟了Si C/Ti-6Al-4V复合材料的单轴拉伸行为。首先,建立Si C/Ti-6Al-4V复合材料的有限元模型,其中加入了内聚力界面模型来了模拟复合材料的界面;其次,利用有限元软件模拟得到了Si C/Ti-6Al-4V复合材料的轴向热残余应力以及单轴拉伸时的应力应变曲线,并与相关文献结果进行对比;最后模拟分析了不同界面强度以及纤维体积含量对复合材料单轴拉伸性能的影响。基于有限容积直接平均细观力学法(FVDAM)来预测复合材料的宏观性能,结合复合材料细观失效准则以及弹性性能折减模型等,发展了一套宏细观统一的渐进失效分析方法。利用此方法编写了一套程序并对Si C/Ti-6Al-4V复合材料含中心孔的平板构件进行了失效分析模拟,预测了其失效强度以及失效模式。以某型航空发动机压气机叶片为原型,利用宏细观统一渐进失效分析方法对叶片结构进行了失效过程模拟分析,初步验证了复合材料多尺度渐进失效分析方法在工程实际应用中的可行性。此外,本文对未来金属基复合材料的研究提出了几点建议和展望。
曹德胜[3]2016年在《单向C/SiC复合材料横向拉伸数值模拟研究》文中提出C/SiC复合材料是陶瓷基复合材料中应用最为广泛的典型代表,其在军用、民用等领域仍然具有很大的开发价值。金刚石砂轮磨削是陶瓷基复合材料最有前途的机械加工方法,但是作为细观结构存在的界面对于磨削加工机理的影响尚不明确。目前已有的工作很少关注C/SiC复合材料横向力学性能,对横向拉伸载荷下界面脱粘情况研究尚有明显不足,严重制约了C/SiC复合材料的发展及应用。基于细观力学研究方法,本文采用数学建模计算、有限元数值模拟、拉伸试验研究相结合的手段研究了单向C/SiC复合材料的热残余应力分布规律及影响因素、界面的应力状态分布和横向拉伸力学性能。本文分析了制备工艺的特点及热残余应力产生的原因,并基于弹性力学方法对横截面内径向和周向热残余应力的分布规律进行预测。研究横向拉伸载荷作用下界面处的应力状态,研究模型参数对界面法向、切向应力的分布规律的影响,分析界面脱粘的原因。通过数值模拟方法研究界面内聚力单元的脱粘顺序及条件。本文采用ABAQUS有限元分析软件对二维平面应变模型进行分析,通过对制备工艺的数值模拟重点研究纤维排布方式、纤维体积分数、界面厚度、制备温度等因素对热残余应力分布规律的影响。本文对长边直条形试件开展横向拉伸试验研究,通过分析试验获得应力-应变曲线研究C/SiC复合材料横向的脆性断裂机制,探究纤维存在对陶瓷基体强度的影响,结合数值模拟研究获得特定参数条件下界面横向脱粘强度为14.7 MPa。本文主要研究横向拉伸载荷条件下考虑热残余应力时C/SiC复合材料的细观力学行为,研究结论有助于揭示界面失效机制、完善界面本构关系,能够为复合材料的设计及磨削加工制造提供方法与理论依据。
张志超, 王玉敏, 李玉芳, 柏春光[4]2016年在《SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的数值模拟》文中指出采用有限元模拟方法研究了SiC纤维和SiC/Ti-6Al-4V复合材料的制备过程,用正交实验分析技术计算了不同参数对SiC纤维残余应力和复合材料致密度及残余应力的影响规律。结果表明,对于SiC纤维的制备过程,降低沉积温度和C涂层厚度则WC反应层中的轴向热应力降低。对于复合材料的热等静压过程,热等静压温度和包套厚度对复合材料致密度的影响较大,热等静压时间和纤维体积分数对致密度的影响较小,随着热等静压温度的升高和包套厚度的降低复合材料的致密度提高;适当提高热等静压温度和纤维体积分数、降低包套厚度能大大增大基体的径向残余应力和适当提高热等静压温度和包套厚度、降低热等静压时间,能大大降低基体的环向残余应力。建议热等静压温度为950-960℃,热等静压时间为9 h,包套的厚度为70-80 mm,纤维的体积分数为45%-50%。SiC纤维增强钛基复合材料残余应力模拟结果与用拉曼光谱法测试的数值有一定的不同,但是其变化趋势相近。
张红园, 杨延清, 罗贤, 黄斌, 裴会平[5]2014年在《钛基复合材料压气机叶环应力的数值模拟》文中认为采用有限元分析方法,建立叁维循环对称模型,对连续Si C纤维增强钛基复合材料压气机叶环的应力进行了研究。考虑周围基体包套和中心复合材料的热残余应力,重点分析了叶环尺寸、温度及基体材料性能对叶环应力分布的影响。结果表明,当叶环直径较小、工作温度较低时,叶环的最大环向应力点在内径;随着直径增大、工作温度升高,最大环向应力点出现在中心复合材料靠近内径一侧。基体材料的弹性模量、热膨胀系数和密度,对叶环的应力分布有重要影响,应尽量选择密度低、弹性模量和热膨胀系数较大的钛合金作为基体材料。
孟嘉琳, 郭相龙, 吕维洁, 覃继宁, 王立强[6]2017年在《原位自生(TiC+TiB)/Ti复合材料的显微组织与残余应力》文中研究指明通过钛、石墨、二硼化钛间的原位反应,并经真空熔炼、锻造、退火后制备得到了不同增强体(TiC,TiB)含量的(TiC+TiB)/Ti复合材料,研究了其物相组成与显微组织,并测试了其残余应力,通过建立残余应力数值拟合公式分析了微观残余应力之间的耦合关系。结果表明:钛基复合材料的基体组织为变形α组织,增强体分布均匀,其中TiC呈等轴状和不规则状,TiB呈短纤维状并沿锻造方向排列;TiC和TiB与钛基体因热膨胀系数不同而产生的微观残余应力分别为拉应力和压应力,当TiC与TiB体积比为1…1时微观残余应力的耦合系数为2.0。
张米好[7]2012年在《增强体参数对陶瓷/金属复合材料残余应力及耐磨性的影响》文中研究指明陶瓷/金属复合材料有优于其他材料的综合性能，在航空航天，兵器，汽车，机械等行业发展迅速，得到广泛关注。然而由于陶瓷与金属之间热膨胀系数的差异，导致形成的复合材料内部残余热应力的产生，残余热应力对复合材料的稳定性及各方面的性能造成不利影响。本文采用ANSYS有限元法理论模拟分析复合材料内部残余应力，用叁维模型分析了增强体的种类、形状、尺寸、体积分数对复合材料内部残余应力的影响；并通过消失模铸造法制造复合材料，实验研究陶瓷增强体参数对复合材料耐磨性的影响；用X射线衍射分析增强体对陶瓷/金属复合材料内部残余应力的影响，与有限元结果进行对比。有限元模拟结果表明：多增强体模型研究复合材料内部应力状况时考虑的因素比较全面，更贴近生产中的情况，增强体体积分数与尺寸的增加，都相应的导致复合材料内部残余应力的增大，在陶瓷与金属界面处残余应力最大，陶瓷体受到压应力，金属受到拉应力，体积分数与尺寸增大导致陶瓷体与陶瓷体之间的金属中出现拉压应力的交叉重合。增强体的形状对复合材料的残余应力有重大影响,立方增强体棱角处容易产生应力集中，而球形增强体则应力分布均匀，无应力集中现象，圆柱形增强体会出现轴线径向的拉应力，容易导致增强体脆断，对复合材料性能产生不利影响，故增强体若为圆柱体，则长径比小一点较好。实验结果表明，圆柱形增强体在合适的长径比时比立方形增强体增强效果好，没有应力集中，不会出现剥落现象，增强体对复合材料耐磨性的增强作用在增强体的体积分数方面有一个最佳值，超过最佳值，增强效果反而变差。
刘佳琳[8]2018年在《SiC纤维增强TC17复合材料横向及扩散连接性能研究》文中研究说明连续SiC纤维增强钛基复合材料(TMCs)在沿纤维轴向方向(纵向)拥有较强的力学性能,而在垂直于纤维方向(横向)的强度较差,这成为复合材料在复杂环境中使用时的安全隐患之一。因此,研究TMCs的横向力学性能,对TMCs部件的工程化应用具有十分重要的意义。本文从单纤维增强复合材料,单层多纤维增强复合材料和多层多纤维增强复合材料叁个方面对SiCf/TC17的横向力学性能进行了研究,采用有限元模拟计算对该类复合材料的横向失效模式、裂纹扩展规律以及宏观开裂过程进行了分析。同时,采用均匀设计试验的方法对TC17合金的扩散连接性能进行了研究。对于单纤维增强复合材料,采用十字形结构试样对其横向力学性能进行了测试和分析,并通过SEM对拉伸断口及横切面进行了显微观察,结果表明,在横向载荷的作用下,单纤维试样应力-应变曲线的非线性拐点应力值为271 ±12MPa,该点是试样中部界面完全失效的起始点。结合有限元数值模拟计算结果,可以得到,复合材料界面失效模式为剪切失效,裂纹萌生于反应层和碳涂层之间的界面,位置在与加载方向成40～50°的圆周之间。裂纹萌生后,在剪切应力作用下沿轴向和周向同时扩展,在沿周向扩展过程中,0°附近界面在径向拉伸应力作用下先于90°附近界面失效,随后90°附近界面在周向剪切应力作用下失效。界面完全失效后,应力重新分配,随载荷增加界面张开程度加大,基体局部出现屈服,直至材料完全断裂。对单层多纤维增强复合材料,使用直边形和狗骨形结构试样对其横向力学性能进行了研究,结果表明,对于直边形试样,应力-应变曲线的非线性拐点应力值为188± 11MPa,该点应力值低于单纤维十字形试样,这是由于直边形试样端部纤维自由表面处存在应力集中,断裂试样纤维端部明显有突出现象,试样中心位置也有明显的界面开裂,开裂位置与单纤维试样界面开裂位置一致。对于狗骨形试样,裂纹首先起源于试样某一纤维端部,随后沿纤维轴向向内部扩展,由于应力的重新分配,邻近的纤维端部也会产生裂纹萌生,并向内扩展,随后界面开裂区域端部基体开始向内收缩并影响未开裂区域的基体向内回缩,导致纤维发生断裂,最后主断口区域相邻纤维的裂纹穿过基体,形成交汇,导致材料最终失效。对于多层多纤维增强复合材料,同样使用了十字形结构试样对SiCf/TC17复合材料的室温横向拉伸性能及其损伤失效过程进行了研究。结果表明,SiCf/TC17复合材料室温应力-应变曲线受复合材料芯部的线弹性变形和TC17外包套的塑性变形双重影响,整体基本可以划分成4个阶段,分别为复合材料芯部的初始裂纹形成阶段、裂纹静止阶段、裂纹缓慢扩展阶段和失稳断裂阶段,而第一阶段体现了 SiCf/TC17复合材料横向抗拉能力。在横向载荷作用下,SiCf/TC17复合材料的主要断裂机制包括纤维/基体界面开裂、界面微裂纹扩展进入基体、基体脆性断裂、局部纤维剪切断裂、断裂纤维簇形成等。复合材料的损伤由界面脱粘开裂开始,界面微裂纹贯穿基体与邻近的其它微裂纹相连,形成了复合材料初始裂纹面。裂纹面扩展过程中与不同位置的其它裂纹面交汇连接,产生了更大的宏观裂纹面。复合材料芯部完全破坏后TC17包套塑性断裂。采用均匀设计试验的方法对TC17合金的扩散连接抗拉强度与表面粗糙度、加热温度、保温压力和保温时间之间的关系进行了研究。结果表明,当扩散连接表面粗糙度减小时,扩散连接后试样的抗拉强度会随之增大,当粗糙度达到Ra=0.1 μm时,扩散连接后试样的抗拉强度与同工艺处理的母材强度基本相当。在扩散连接温度较低时,连接界面处容易出现孔洞,由于钛原子在α相和β相中的扩散速率不同,导致这些孔洞主要出现在α/α界面上,少部分出现在α/β界面上,而在β/β界面上的孔洞则极少。通过对扩散连接抗拉强度的回归分析,得到了相应的回归模型,由模型可知,温度对于扩散连接的抗拉强度影响最为显着,其次为保温时间,保温压力影响最小,考虑到叁者之间的交互作用,以及模型的整体趋势,对于TC17扩散连接,甚至复合材料的制备过程,可以根据纤维与基体之间反应的剧烈程度以及加工的难易程度等方面进行综合考虑,最终确定这叁个因素的取值,以获得最好的综合性能。
娄菊红[9]2014年在《SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料的宏-细观力学性能研究》文中提出连续SiC纤维增强Ti基复合材料（SiCf/Ti）具有高比强度、比刚度、比模量以及良好的高温性能和疲劳性能等优点，用于制作叶片、机匣和整体盘等航空零部件，可大大减轻航空发动机的重量，提高飞行器的工作效率。然而SiCf/Ti基复合材料能否成功应用，力学性能是关键。一方面，由于纤维和基体热膨胀系数的差异，SiCf/Ti基复合材料从制备温度冷却到室温时会产生高的残余应力，从而影响其力学性能；另一方面，SiCf/Ti复合材料本身存在严重的各向异性，横向性能远低于纵向性能，而复合材料在服役过程中难免受到一些横向力的作用。此外，SiCf/Ti复合材料经常在高温环境下工作，而钛合金基体在高温下的一个主要性能特点就是蠕变。因此，全面研究SiCf/Ti基复合材料的残余应力、纵向性能、横向性能和蠕变性能，对制备技术的改进和力学性能的提高都具有重要的指导作用。采用ANSYS有限元分析软件，建立叁维模型，系统分析纤维排布方式、体积分数和基体性能等因素对复合材料径向、轴向和周向残余应力的影响规律。结果表明，界面径向残余应力沿纤维周向分布的不均匀性随纤维体积分数的增加而增加，但纤维六方排布时这种不均匀性增加的幅度远低于四方和四方对角排布时增加的幅度；界面轴向残余应力基本不受纤维排布方式的影响沿纤维周向的分布都比较均匀，尤其是纤维体积分数较高时；界面周向残余应力受纤维排布方式影响与径向残余应力类似。基体和纤维热膨胀系数越接近，热残余应力就越小，沿纤维周向分布的均匀性也越好；基体弹性模量越大，复合材料界面残余应力越大；基体屈服强度大于某一临界值时界面残余应力不随屈服强度的改变而改变，反之，界面残余应力随屈服强度的减小而减小。通过有限元与Monte-Carlo相结合的方法研究了界面剪切强度、纤维体积分数和个别低强度纤维的提前断裂对SiCf/Ti-6Al-4V复合材料纵向拉伸性能的影响。结果表明，界面结合强度低，复合材料断裂模式为非共面失效，且低应力下个别纤维的提前断裂会使应力-应变曲线上出现两个非线性拐点（分别对应于提前断裂纤维的界面脱粘和基体屈服）同时使纵向抗拉强度降低；界面结合强度高，断裂模式为接近共面的灾难性失效，这种情况下复合材料抗拉强度基本不变。纤维体积分数对复合材料抗拉强度影响较大，体积分数越高，抗拉强度越高，但相应的拉伸应变正好相反。采用扫描电镜和能谱仪等设备研究了SiCf/C/Ti-6Al-4V复合材料在不同热暴露条件下的界面及力学行为。结果表明，界面层厚度随热暴露温度的升高和时间的延长而增大；C涂层有剩余时界面反应物仅为TiC； C涂层被消耗完时，除TiC外，反应产物中可形成钛的硅化物Ti3SiC2和Ti5Si3；制备态及750℃/36h热暴露后的SiCf/C/Ti-6Al-4V复合材料纵向拉伸过程中有明显的纤维拔出现象，且沿着纤维排布均匀性较差甚至有个别纤维呈现搭接的区域，基体出现明显的断裂台阶；900℃/60h真空热暴露后SiCf/C/Ti-6Al-4V复合材料拉伸过程中纤维没有拔出且在同一位置断裂，属典型的脆性断裂。根据纤维周期性分布的特征，通过二维平面应变模型探讨了横向拉伸载荷下SCS-6/Ti-6Al-4V复合材料界面的失效机制及各种失效机制下的横向性能。结果表明，高界面结合强度下，无论纤维体积分数的高低，界面失效模式都倾向于单纯的径向失效，且温度越高，径向失效的可能性越大；低界面结合强度下，界面失效模式为切向失效导致径向失效或先切向失效接着发生径向失效，且温度和纤维体积分数越低，后者发生的可能性越大。位移载荷下，复合材料横向拉伸的应力-应变曲线，在界面结合强度无限大时为仅包含一个非线性拐点的稳定过渡；界面化学结合强度为零时为包含两个非线性拐点的稳定过渡；界面径向失效时为锯齿状；切向失效先发生接着发生径向失效时为包含叁个非线性拐点的稳定过渡；界面切向失效导致径向失效时包含有应变不稳定跳跃点。通过解析模型，推导了轴向残余应力对复合材料最大蠕变应力和应变的影响及蠕变过程中复合材料各组分的应力。在此基础上，建立起复合材料蠕变应变率随时间的变化关系，并探讨了界面层性质对复合材料蠕变性能的影响。
王京[10]2017年在《SiC_f/TC17复合材料界面微观组织及性能研究》文中进行了进一步梳理连续SiC纤维增强钛基复合材料具有高比强度和比模量,同时具有良好的高稳性能和疲劳性能,用于制作叶片及机匣等航空零部件,是未来整体叶环的重要组成部分,减重的同时也提高了飞行效率,必将引起发动机设计的巨大变革。本文采用的材料是通过纤维涂覆结合热等静压的工艺制备的SiC_f/TC17复合材料,使用光学显微镜、扫描电镜、电子探针、能谱仪及纳米压痕仪对450℃下短时热暴露状态下的SiC_f/TC17复合材料的微观组织、界面成分、元素扩散及微观力学性能进行了分析。结果表明,450℃下短时热暴露对基体组织影响不明显,对材料的热稳定性影响不大,材料各部位的显微硬度和弹性模量无明显变化,化学反应扩散是反应层形成的主要原因,界面反应层遵循Arrhennius定律。有限元模拟界面残余应力的结果显示:纤维体积分数的增大会导致界面处环向残余应力值增大而径向残余应力值减小;C涂层及反应层厚度的变化对环向应力影响小而对径向应力影响大;环向最大应力处在0o和60o处,大小为572 MPa,最小应力在30o和90o处,大小为523 MPa;径向应力随角度的变化幅度是要大于环向应力的,最大应力在30o和90o处,大小为188 MPa,最小应力在0o和60o处,大小为82 MPa。两向应力都是在界面处是最大的,在两根纤维的中间位置最小。SiC_f/TC17复合材料室温拉伸与高温拉伸的断裂过程相似,不同之处在于高温拉伸断裂过程的纤维拔出及脱粘的出现情况多于室温拉伸;高温疲劳断裂过程中疲劳源一般在包套与复材的结合处,基体的韧断要多于高温拉伸断裂,最后的过载断裂与高温拉伸的过载断裂类似。
参考文献：
[1]. 钛基复合材料热残余应力的数值模拟[D]. 马志军. 西北工业大学. 2002
[2]. SiC纤维增强钛基复合材料强度分析方法研究[D]. 阮绍明. 南京航空航天大学. 2015
[3]. 单向C/SiC复合材料横向拉伸数值模拟研究[D]. 曹德胜. 天津大学. 2016
[4]. SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的数值模拟[J]. 张志超, 王玉敏, 李玉芳, 柏春光. 材料研究学报. 2016
[5]. 钛基复合材料压气机叶环应力的数值模拟[J]. 张红园, 杨延清, 罗贤, 黄斌, 裴会平. 燃气涡轮试验与研究. 2014
[6]. 原位自生(TiC+TiB)/Ti复合材料的显微组织与残余应力[J]. 孟嘉琳, 郭相龙, 吕维洁, 覃继宁, 王立强. 机械工程材料. 2017
[7]. 增强体参数对陶瓷/金属复合材料残余应力及耐磨性的影响[D]. 张米好. 长安大学. 2012
[8]. SiC纤维增强TC17复合材料横向及扩散连接性能研究[D]. 刘佳琳. 中国科学技术大学. 2018
[9]. SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料的宏-细观力学性能研究[D]. 娄菊红. 西北工业大学. 2014
[10]. SiC_f/TC17复合材料界面微观组织及性能研究[D]. 王京. 中北大学. 2017
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