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2D-C/SiC缺口试样的拉伸及蠕变行为

吴小军  
【摘要】:2D-C/SiC复合材料是一种新型的超高温结构材料,在航天航空等领域具有广阔的应用前景。文献中对其光滑试件的拉伸及拉伸蠕变性能的研究比较多,而对其缺口试件的拉伸及拉伸蠕变性能的研究至今鲜见报道,给工程设计、应用带来了很大的困难。本文研究了2D-C/SiC双边圆弧缺口试样的拉伸及拉伸蠕变性能。试样缺口圆弧半径为2mm,缺口深度为0.5mm。在室温至1500℃范围内真空下进行了拉伸试验,在1100℃、1300℃和1500℃真空下进行了拉伸蠕变试验。用有限元法模拟了2D-C/SiC缺口试件应力场的分布,并计算了其应力集中系数。用电阻法研究了拉伸过程的损伤。在蠕变的0h、0.5h、2h、10h、25h、50h中断试验,测量了试样的共振频率,同时用SEM检测了表面基体裂纹。分别用电阻法、弹性模量法、分形维数法表征了带缺口2D-C/SiC在蠕变过程中的损伤。通过研究本文获得如下主要结果: 有限元法计算得出本文2D-C/SiC双边圆弧缺口试样的应力集中系数为1.53。在高温(900℃—1500℃)下,2D-C/SiC抗拉强度与缺口强度的比值介于1~1.53之间,即在本文试样缺口几何尺寸条件下,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:而在室温下是完全缺口脆性材料。 电阻法可以表征2D-C/SiC在拉伸过程中的损伤,用电阻的变化率D=△R/R_0表征的无缺口2D-C/SiC的最大损伤值D在4-12%之间即发生断裂,而有缺口2D-C/SiC的最大损伤D在0.5%左右时试样断裂。光滑试样是作为一个整体产生损伤,而缺口试样的损伤主要集中在缺口区。 1100℃时,无论应力大小,蠕变都集中在瞬态阶段,稳态蠕变速率几乎为零;1500℃时无缺口试样(名义应力170MPa)和带缺口试样(名义应力95MPa)稳态蠕变速率处于同一个数量级(10~(-5)/h),100h试验期内没有发现蠕变的第三阶段。温度是影响稳态蠕变速率的主要因素。 裂纹数量—时间曲线、裂纹宽度—时间曲线和蠕变曲线极为相似,都分为快速增长和缓慢增长两个阶段。在蠕变开始阶段(0—10h)出现了基体微裂纹的快速增长,其中0—2小时近缺口区的裂纹增长速度大于远离缺口区,而在2—10小时远离缺口区的裂纹增长速度大于近缺口区。说明蠕变过程中应力重新分配。 蠕变损伤主要集中在近缺口区,在近缺口区、纤维束编织交叉处最先产生基体微裂纹,在近缺口区的纵向纤维容易断裂。比较了用电阻法、弹性模量法、


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