2D-C-SiC缺口試樣的拉伸及蠕變行為.pdf

1、2D-C/SiC復(fù)合材料是一種新型的超高溫結(jié)構(gòu)材料，在航天航空等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)中對(duì)其光滑試件的拉伸及拉伸蠕變性能的研究比較多，而對(duì)其缺口試件的拉伸及拉伸蠕變性能的研究至今鮮見報(bào)道，給工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用帶來了很大的困難。本文研究了2D-C/SiC雙邊圓弧缺口試樣的拉伸及拉伸蠕變性能。試樣缺口圓弧半徑為2mm,缺口深度為0.5mm。在室溫至1500℃范圍內(nèi)真空下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，在1100℃、1300℃和1500℃真空下進(jìn)行了拉伸蠕

2、變?cè)囼?yàn)。用有限元法模擬了2D-C/SiC缺口試件應(yīng)力場(chǎng)的分布，并計(jì)算了其應(yīng)力集中系數(shù)。用電阻法研究了拉伸過程的損傷。在蠕變的0h、0.5h、2h、10h、25h、50h中斷試驗(yàn)，測(cè)量了試樣的共振頻率，同時(shí)用SEM檢測(cè)了表面基體裂紋。分別用電阻法、彈性模量法、分形維數(shù)法表征了帶缺口2D-C/SiC在蠕變過程中的損傷。通過研究本文獲得如下主要結(jié)果：有限元法計(jì)算得出本文2D-C/SiC雙邊圓弧缺口試樣的應(yīng)力集中系數(shù)為1.53。在高溫(900℃

3、-1500℃)下，2D-C/SiC抗拉強(qiáng)度與缺口強(qiáng)度的比值介于1～1.53之間，即在本文試樣缺口幾何尺寸條件下，2D-C/SiC具有一定的缺口敏感性，不是完全缺口塑性材料，也不是完全缺口脆性材料；而在室溫下是完全缺口脆性材料。 電阻法可以表征2D-C/SiC在拉伸過程中的損傷，用電阻的變化率D=△R/R0表征的無缺口2D-C/SiC的最大損傷值D在4-12％之間即發(fā)生斷裂，而有缺口2D-C/SiC的最大損傷D在0.5％左右時(shí)試樣

4、斷裂。光滑試樣是作為一個(gè)整體產(chǎn)生損傷，而缺口試樣的損傷主要集中在缺口區(qū)。 1100℃時(shí)，無論應(yīng)力大小，蠕變都集中在瞬態(tài)階段，穩(wěn)態(tài)蠕變速率幾乎為零；1500℃時(shí)無缺口試樣(名義應(yīng)力170MPa)和帶缺口試樣(名義應(yīng)力95MPa)穩(wěn)態(tài)蠕變速率處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)(10-5/h)，100h試驗(yàn)期內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)蠕變的第三階段。溫度是影響穩(wěn)態(tài)蠕變速率的主要因素。 裂紋數(shù)量—時(shí)間曲線、裂紋寬度—時(shí)間曲線和蠕變曲線極為相似，都分為快速增長(zhǎng)和緩

5、慢增長(zhǎng)兩個(gè)階段。在蠕變開始階段(0-10h)出現(xiàn)了基體微裂紋的快速增長(zhǎng)，其中0-2小時(shí)近缺口區(qū)的裂紋增長(zhǎng)速度大于遠(yuǎn)離缺口區(qū)，而在2-10小時(shí)遠(yuǎn)離缺口區(qū)的裂紋增長(zhǎng)速度大于近缺口區(qū)。說明蠕變過程中應(yīng)力重新分配。 蠕變損傷主要集中在近缺口區(qū)，在近缺口區(qū)、纖維束編織交叉處最先產(chǎn)生基體微裂紋，在近缺口區(qū)的縱向纖維容易斷裂。比較了用電阻法、彈性模量法、分形維數(shù)法表征2D-C/SiC雙邊圓弧缺口試樣蠕變過程中的損傷。電阻法能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量損傷，

6、蠕變過程中電阻總體上是增大的，但在局部的變化是無序的，測(cè)量時(shí)所受的干擾比較大；彈性模量能很好的表征試樣整體在蠕變過程的損傷；分形維數(shù)法主要反映在微觀局部區(qū)域的損傷發(fā)展情況。彈性模量和分形維數(shù)法兩者的損傷曲線都分為兩個(gè)階段，即蠕變開始時(shí)的快速增長(zhǎng)階段和隨后的緩慢變化階段。在緩慢變化階段，用彈性模量表征的損傷先下降，然后隨蠕變時(shí)間又逐漸增加；而用分形維數(shù)表征的損傷在緩慢變化階段是一直單調(diào)增加的。以基體裂紋為主要損傷形式條件下，分形維數(shù)主要反