论文部分内容阅读
近年来,国内外学者对陶瓷颗粒增强金属基复合材料的热冲击稳定性展开了多方面研究,由于复合材料中陶瓷颗粒与基体之间具有巨大的热力学性能差异,导致复合材料在热冲击环境下更容易产生热应力,并影响结构稳定性。因此,本文通过非连续梯度结构设计,采用具有过渡作用的梯度结构和蜂窝状排布的非连续结构减小宏观界面处的应力集中,抑制裂纹的扩展,提高复合材料的热稳定性。本论文采用粉末冶金法+挤压铸造法成功制备了颗粒分布均匀、界面结合良好的ZTA_P/钢基非连续梯度结构试样,采用ABAQUS有限元软件模拟非连续梯度结构复合材料和非连续单一成分复合材料的热应力场,探究不同的复合材料结构对热应力大小的影响;同时采用预压缩试验、热震试验和残余应力测试探究不同结构对复合材料热疲劳性能的影响,并对裂纹的扩展进行探究。重点研究ZTA_P/钢基非连续梯度结构复合材料抗热冲击稳定性以及与热疲劳性之间的联系,为复合材料的新结构设计提供理论依据。有限元模拟结果显示:随着ZTA体积分数的提高,ZTA陶瓷颗粒增强体与45钢基体之间的热力学性能差异逐渐增加;在快速冷却过程中,陶瓷颗粒增强体与45钢基体之间产生较大的热应力,单一成分非连续复合材料随着ZTA体积分数的增加,复合材料内部热应力逐渐增加,且应力集中处为宏观界面;非连续梯度结构复合材料的最大热应力小于相同ZTA体积分数单一结构的复合材料。热疲劳实验结果显示:在预压缩试验中,ZTA体积分数越高,增强体所能承受的循环加载-卸载应力应变次数越少,且所承受的最大应力也逐渐减小,梯度结构增强体与相同ZTA体积分数的单一成分增强体相比具有更良好的抗预应变能力和能够承受更大的载荷;从预压缩试验后的表面断裂形貌可知,梯度结构增强体的外部环状结构有效包裹内部高ZTA体积分数成分,在韧性良好的低ZTA体积分数区域产生大量微裂纹并产生塑性变形,有效保护增强体内部的脆性相。在热震试验中,随着ZTA体积分数提高,裂纹的萌生与扩展从增强体内部变为宏观界面处;在100次热震后,裂纹的扩展宽度随着ZTA体积分数的增大而提高,并且70vol%ZTA体积分数增强体表面出现部分脱落,梯度结构复合材料裂纹宽度较小,没有出现脱落;增强体内部裂纹首先在陶瓷颗粒和基体间的微观界面处萌生,逐渐穿透陶瓷颗粒或沿微观界面扩展一定距离,当该陶瓷颗粒周围有距离很近且也萌生源裂纹时,两条源裂纹会穿过45钢基体连接成为一条主裂纹,实现裂纹的扩展。测试热冲击前后残余应力的变化,与模拟和实验的结果趋势相同。因此,为了提高ZTA_P/钢基复合材料的热稳定性,采用非连续梯度结构设计能有效减小宏观界面热应力,提高复合材料的热冲击稳定性。