一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，确定材料内部氧气浓度变化规律；确定纤维氧化缺口的变化规律；确定氧化层数和纤维总数；确定氧化前纤维应力分布；确定氧化前材料拉伸强度模型；确定氧化过程中纤维拉伸强度变化规律；确定氧化过程中纤维的断裂比例；确定氧化过程中纤维拉伸断裂概率和纤维应力分布；确定每层纤维氧化断裂时间的变化规律；确定氧化过程中的材料拉伸强度变化规律和氧化后材料的剩余寿命。本发明专利技术方法能真实有效的预测基体氧化和纤维氧化的形貌变化，能从细观尺度出发反映材料的宏观性能。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法
本专利技术涉及一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，具体涉及一种单向碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料在高温(900-1200℃)应力环境下剩余拉伸强度计算方法。
技术介绍
碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuouscarbonfiberreinforcedsiliconcarbidecomposites，以下简称C/SiC)是航空发动机热端部件的新型高温结构材料，其具备高比强度、比刚度等特性，能有效的实现热端部件的减重。然而C/SiC制成的热端部件在服役过程中会受到氧化性气体以及载荷的共同作用，使得其力学性能大大降低。因此建立一种能有效预测C/SiC材料在高温应力环境下剩余拉伸强度的方法，对预测结构使用寿命能提供指导性作用，进而能及早避免航空发动机的故障乃至于灾难性事故。现有的计算C/SiC相关力学性能的方法主要由：文献“BudianskyB,HutchinsonJW,EvansAG.Matrixfractureinfiber-reinforcedceramics[J].JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids,1986,34(2):167-189.”公开了一种基于界面剪应力和正应力的平衡方程建立的用于计算纤维应力分布的方法，但该模型未考虑纤维氧化导致的纤维应力重新分布，因此不能适用于高温氧化环境下的强度预测。文献“XuY,ZhangP,LuH,etal.NumericalmodelingofoxidizedC/SiCmicrocompositeinairoxidizingenvironmentsbelow800℃:Microstructureandmechanicalbehavior[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2015,35(13):3401-3409.”公开了一种基于C纤维反应速率线性变化的纤维氧化缺口模型，模拟在中温(700-900℃)氧化环境下纤维的氧化消耗变化情况，结合有限元的方法计算RVE模型的最大拉伸应力。当该方法仅适用于中温氧化环境，对于高温(>900℃)氧化环境，氧化速率过快，无法将模型均匀化为RVE模型进行求解。因此该方法不能适用于高温环境的强度预测。文献“CurtinWA,AhnBK,TakedaN.Modelingbrittleandtoughstress–strainbehaviorinunidirectionalceramicmatrixcomposites[J].ActaMaterialia,1998,46(10):3409-3420.”提供了一种基于基体开裂和界面脱粘，通过计算纤维应力分布和纤维失效概率进而预测材料强度的方法。但该方法不考虑材料的氧化，因此对高温氧化环境的剩余拉伸强度计算并不适用。文献“LamourouxF,NaslainR,JouinJM.KineticsandMechanismsofOxidationof2DWovenC/SiCComposites:II,TheoreticalApproach[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,1994,77(8):2058-2068”公开了一种基于二元扩散理论和气固传质理论的氧化动力学模型，用以确定高温(700-1500℃)氧化环境下C/SiC复合材料内部氧化消耗情况和氧气浓度变化。但该模型仅能用于预测材料质量损失变化，并不能预测氧化过程中材料的剩余强度变化规律，且该模型未考虑应力的影响。因此该方法不能适用强度预测。专利CN105631148A“应力氧化环境下单向陶瓷基复合材料力学性能分析方法”公开了一种应力氧化环环境下单向C/SiC材料剩余拉伸强度的预测方法，该方法基于C/SiC在中温(700～900℃)应力氧化环境下的质量损失，通过建立氧化前后的C纤维体积变化，结合Curtin拉伸强度理论进而预测材料剩余拉伸强度。该方法是基于整体纤维按照质量损失变化规律呈均匀氧化，但对于高温(900～1200℃)应力氧化环境下，纤维消耗速率相较于中温大大增加，同时由于C相氧化受氧气扩散控制，整体纤维呈现外部氧化强，内部氧化弱的非均匀氧化情形；同时高温环境下还需要考虑基体氧化对材料力学性能的影响。因此该方法对于高温环境并不适用。综上所述，现需要在考虑纤维非均匀氧化和基体氧化的基础上，同时整体材料的非均匀氧化情况，建立一种能预测高温(900～1200℃)应力氧化环境下单向C/SiC复合材料剩余拉伸强度的方法。
技术实现思路
本文针对现有预测方法无法考虑整体材料非均匀氧化对剩余拉伸强度影响的不足，建立预测高温(900～1200℃)应力氧化环境下单向C/SiC复合材料剩余拉伸强度的方法，从细观尺度出发，更加符合氧化的实际情况，以解决单向C/SiC复合材料在高温和应力共同作用下的剩余拉伸强度和寿命预测。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，包括以下步骤：步骤一：基于改进后的氧化动力模型，确定材料内部氧气浓度变化规律；步骤二：基于步骤一的结果和改进后的纤维缺口模型，确定纤维氧化缺口的变化规律；步骤三：基于纤维正方规则分布，确定氧化层数和纤维总数；步骤四：基于剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布；步骤五：基于Curtin拉伸强度理论和步骤四的结果，确定氧化前材料拉伸强度模型；步骤六：基于步骤二的结果，确定氧化过程中纤维拉伸强度变化规律；步骤七：基于步骤三的结果，确定氧化过程中纤维的断裂比例；步骤八：基于步骤五和步骤七的结果，确定氧化过程中纤维拉伸断裂概率和纤维应力分布；步骤九：基于步骤六和步骤八的结果，确定每层纤维氧化断裂时间的变化规律；步骤十：基于步骤七和步骤九的结果，确定氧化过程中的材料拉伸强度变化规律和氧化后材料的剩余寿命。进一步地，所述步骤一的具体步骤是：基于高温环境下C/SiC复合材料的氧化动力学模型：及其边界条件：得到裂纹底端材料内部氧气浓度随温度、应力的变化关系；其中，y为沿基体裂纹深度方向的坐标值，为氧气在y处的扩散系数，为氧气在y处的摩尔分数，e(y)为y处的裂纹宽度，为y处的氧气浓度，为二氧化硅(SiO2)的密度，B(y)为y处的抛物线速率常数，δ(y)为y处的SiO2层厚度，为SiO2的摩尔质量；其中，为裂纹通道入口处的氧气浓度，Cc为环境中氧气浓度，计算公式为为外部环境中氧气的摩尔分数，P为环境压强，R为气体常数，T为环境温度；KO为C相的质量氧化速率，计算公式为KO＝kromc，其中：kro为C的反应速率常数，mc为复合材料的总重量；L为基体涂层厚度，C0为标准大气压下纯氧环境下氧气浓度，计算公式为MC为C的摩尔质量；p为反应指数；为y＝L裂纹底端处的氧气浓度；为氧气在y＝L裂纹底端处的扩散系数；为氧气在y＝L裂纹底端处的摩尔分数。进一步地，所述步骤二的具体步骤是：根据步骤一得到氧气浓度变化规律，结合改进后的高温氧化环境下的纤维缺口模型，得到纤维缺口半径随氧化时间的变化规律：其中，t为氧化时间，ts为界面氧化临界时间，RadI为界面段的临界角度值M本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于改进后的氧化动力模型，确定材料内部氧气浓度变化规律；步骤二：基于步骤一的结果和改进后的纤维缺口模型，确定纤维氧化缺口的变化规律；步骤三：基于纤维正方规则分布，确定氧化层数和纤维总数；步骤四：基于剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布；步骤五：基于Curtin拉伸强度理论和步骤四的结果，确定氧化前材料拉伸强度模型；步骤六：基于步骤二的结果，确定氧化过程中纤维拉伸强度变化规律；步骤七：基于步骤三的结果，确定氧化过程中纤维的断裂比例；步骤八：基于步骤五和步骤七的结果，确定氧化过程中纤维拉伸断裂概率和纤维应力分布；步骤九：基于步骤六和步骤八的结果，确定每层纤维氧化断裂时间的变化规律；步骤十：基于步骤七和步骤九的结果，确定氧化过程中的材料拉伸强度变化规律和氧化后材料的剩余寿命。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于改进后的氧化动力模型，确定材料内部氧气浓度变化规律；步骤二：基于步骤一的结果和改进后的纤维缺口模型，确定纤维氧化缺口的变化规律；步骤三：基于纤维正方规则分布，确定氧化层数和纤维总数；步骤四：基于剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布；步骤五：基于Curtin拉伸强度理论和步骤四的结果，确定氧化前材料拉伸强度模型；步骤六：基于步骤二的结果，确定氧化过程中纤维拉伸强度变化规律；步骤七：基于步骤三的结果，确定氧化过程中纤维的断裂比例；步骤八：基于步骤五和步骤七的结果，确定氧化过程中纤维拉伸断裂概率和纤维应力分布；步骤九：基于步骤六和步骤八的结果，确定每层纤维氧化断裂时间的变化规律；步骤十：基于步骤七和步骤九的结果，确定氧化过程中的材料拉伸强度变化规律和氧化后材料的剩余寿命。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤是：基于高温环境下C/SiC复合材料的氧化动力学模型：及其边界条件：得到裂纹底端材料内部氧气浓度随温度、应力的变化关系；其中，y为沿基体裂纹深度方向的坐标值，为氧气在y处的扩散系数，为氧气在y处的摩尔分数，e(y)为y处的裂纹宽度，为y处的氧气浓度，为二氧化硅的密度，B(y)为y处的抛物线速率常数，δ(y)为y处的SiO2层厚度，为SiO2的摩尔质量；其中，为裂纹通道入口处的氧气浓度，Cc为环境中氧气浓度，计算公式为为外部环境中氧气的摩尔分数，P为环境压强，R为气体常数，T为环境温度；KO为C相的质量氧化速率，计算公式为KO＝kromc，其中：kro为C的反应速率常数，mc为复合材料的总重量；L为基体涂层厚度，C0为标准大气压下纯氧环境下氧气浓度，计算公式为MC为C的摩尔质量；p为反应指数；为y＝L裂纹底端处的氧气浓度；为氧气在y＝L裂纹底端处的扩散系数；为氧气在y＝L裂纹底端处的摩尔分数。3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤是：根据步骤一得到氧气浓度变化规律，结合改进后的高温氧化环境下的纤维缺口模型，得到纤维缺口半径随氧化时间的变化规律：其中，t为氧化时间，ts为界面氧化临界时间，RadI为界面段的临界角度值MC；在ts之前，只氧化热解碳界面部分，θ为纤维氧化方向与x轴的夹角，r为氧化半径，为界面层的氧化速率，为纤维外层的氧化速率，ρC为C相的密度，hI为界面层厚度，Rf0为完好纤维半径，π为圆周率；所述步骤三的具体步骤为：根据纤维正方规则分布规律和单胞尺寸，确定纤维氧化计算层数：其中，nlayer为纤维氧化计算层数，a,b分别为C/SiC复合材料横截面的长和宽，acell为单胞边长，其计算公式为：其中，Vf为纤维体积分数；其中，Nfiber(n)为第n层的纤维数量，n为当前纤维层数，从外到内依次为1,2,…,nlayer。4.根据权利要求3所述的陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，其特征在于，所述步骤四的具体步骤为：根据剪滞模型，确定氧化前纤维应力分布，由于裂纹宽度远小于脱粘长度，因此忽略裂纹开口段上的纤维应力分布，认为每根纤维上的应力分布情况相同；当裂纹间距满足即单基体裂纹情形，纤维上存在脱粘区和粘接区，任意一根纤维上应力分布为：其中，σf为纤维应力，F为完好纤维在裂纹平面所承担的应力，τi为界面剪应力，x为纤维轴向方向，Ld为界面脱粘长度，ls为理论纤维滑移长度，定义为纤维载荷从裂纹平面所承受的最大应力F降到0时的纤维滑移长度，为平均裂纹间距，σf0为粘接区纤维应力，在不考虑热残余应变时，σf0的计算公式为：其中，σ为外加轴向应力，Ef、Em分布为纤维、基体的弹性模量，Vm为基体的体积分数；当裂纹间距满足即多裂纹情形，纤维上脱粘区重叠，任意一根纤维上的应力分布为：5.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料在高温应力环境下的剩余强度计算方法，其特征在于，所述步骤五的具体步骤为：根据Curtin提出的拉伸强度理论，纤维在脱粘段产生应力集中，纤维会在该段发生断裂，其断裂的概率表示为：其中，q(x0,F)表示纤维承受的裂纹平...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，陈鹏，陈西辉，宋迎东，牛序铭，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32