TiC颗粒增强钨基复合材料热冲击损伤数值模拟.pdf

“ 颗粒增强钨基复合材料 热冲击损伤数值模拟 宋桂明， ， 周玉， 孙毅 （“ 哈尔滨工业大学材料学院， 哈尔滨；“ 中国地震局工程力学研究所， 哈尔滨 67“8*A6 航天领域里复合材料用于制作热结构部件， 因 此在热环境下的强度、 刚度和热动态响应等问题的 精确分析， 对复合材料的结构设计和使用寿命评估 都非常重要 〔〕 。特别是复合材料及其结构在极端 条件 （高温、 动载和复杂环境同时作用） 下的弹性、 非 弹性行为和损伤、 失效机理已成为当前研究的重点。 / 世纪 2/ 年代以来， 国内外对复合材料剧烈的热 冲击行为进行了较多的数值模拟研究， 主要是模拟 复合材料在热冲击过程中的宏观非稳态温度场和宏 观非稳态热应力场， 而对材料的微观组织结构在热 冲击过程中的数值模拟则很少涉及 〔 B 〕 。由于复 合材料宏观结构的破坏是由微观结构的裂纹萌生及 裂纹扩展所决定的， 因此从宏观和微观两层次上对 复合材料的热冲击损伤行为进行数值模拟， 对揭示 复合材料热冲击损伤行为的本质有着重要的理论意 义和实用价值。 前期的研究工作发现， 在钨中加入高体积分数 的 “ 颗粒， 可以显著提高钨的高温强度 〔1， 〕和耐 烧蚀性能 〔3〕 ， 是一种潜在的超高温材料。本文对 “ 颗粒增强的钨基复合材料 （“ - ） ， 7 1 .630， （）340 40， （“） 75305 .2 340 -53.6306， （4050 502.5053750 201/6 .2 89 6-;10 2305 403 2.5（）6，（“） B6） 图 . 053750 10 /0/非稳态热应力场 图 F 给出了一系列最大主应力场随时间的变化 图， 图 G 给出了试样中心和周边的最大主应力值随 时间的变化趋势。可以看出， 试样的热应力场的变 化规律是 在加热瞬间， 试样内部的热应力急剧升 高， 最大主应力的最大值在加热初期出现在试样中 心， 而后逐渐转移到试样周边， 随加热时间的继续延 长， 热应力又逐渐下降。试样中最易出现开裂的部 位是试样的中心和试样的周边。如果试样要开裂， 有两种方式（） 裂纹在试样中心萌生， 向沿径向向 周边扩展；（H） 裂纹在试样周边萌生， 而后沿径向向 中心扩展。前一种方式由于中心温度较高， 中心在 高温下有塑性， 裂纹萌生和扩展都较困难， 但是当复 合材料强度较低， 这种损伤方式还是可能发生的。 后一种方式是裂纹在周边萌生后向中心扩展， 如果 中心此时温度较高， 裂纹有可能在中心停止扩展， 这 GF 第 H 期宋桂明等 89 颗粒增强钨基复合材料热冲击损伤数值模拟 万方数据 种损伤发生一般是当复合材料强度较高时容易发 生。当然， 如果复合材料的强度足够高， 则试样能抵 抗住热冲击而不开裂。 图 “, 1368 7 4,2 87,5- 7,18 图 * “, 1368 842 87D ,5- 7,18 ,-.微观结构中的应力场 试样中的最大主应力的最大值出现在 ’ 秒时 刻， 出现部位为试样周边， 其最大主应力10为 CE./F， 对应的最小主应力1,5为G C“C/F， 温 度为 “H。 为了考察主应力最大点处的微观结构 内部的应力场， 将最大主应力和最小主应力以及温 度作为边界条件施加在微结构单元上， 见图 ’ 89 05349 A 7 09 3971687 890293 890293 713 890293 713 890293 890293 A 793 图 11微裂纹围绕 2 713 “1， 14 ,H’ -15F,H /4511， JQQQ， /4； *’ 1 KT 4-1 -1,41R G5T,61 ,9R U,6D G5T,61 ,O 511 1HH “4- 4-1 1VN15“F194,H 51GH4’ -1 N51R“641R R,F,1 FKR1 KT “ ,FNH1 “ 4-,4 65,6D “9“4“,41 “9 4-1 1R1 KT 4-1 ,FNH1 ,9R 4-19 N5KN,,41 4K 4-1 619415 WK91， -“6- “ 6K9“4194 “4- 4-1 1VN15“F194,H 51O GH4’ -1 F“65K6KN“6 451 T“1HR KT “ F“65K45G64G51 “ ,9,HSW1R G“9 , T“9“41 1H1F194 F14-KR U,1R K9 4-1 G941,RS 4-15F,H 451 T“1HR KT 4-1 “ ,FNH1’ -1 R,F,1 FKR1 KT 4-1 F“65K45G64G51 “ 4-,4 65,6D “9“4“,41 91,5 “ “9415T,61 ,9R N5KN,,41 “9 4-1 F,45“V， -“6- ,511 “4- 4-1 1VN15“F194,H 51GH4’ /7 8,0*4G9419 6KFNK“41； “ N,54“6H1； 4-15F,H -K6D； R,F,1； 9GF15“6,H “FGH,4“K9 QI 有色金属第 J7 卷 万方数据