CN113984463A - 一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的计算方法。本发明通过试验测试和有限元分析相结合，首先进行复合材料薄片的纤维顶出试验确定纤维与基体分离后的摩擦力，采用有限元的方法通过摩擦力推算开始产生残余应力的温度，进而再计算从该温度下冷却至室温后复合材料内部的残余应力及其分布。该方法的优点是通过设定与实际情况相符的有限元边界条件，剔除制备测试样品过程改变的复合材料内部应力状态的影响，同时方便计算分析不同体积分数、不同结构的残余应力及其分布情况，得到的残余应力信息更为详细。

Description

一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力计算方法
技术领域
本发明属于材料测试分析技术领域，涉及一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的计算方法。
背景技术
连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti)具有优异的室高温性能，在航空航天领域有较大的应用前景。连续SiC纤维增强钛基复合材料是以连续SiC纤维为增强体、钛合金为基体，采用箔压法、纤维-基体涂层法等工艺在高温下致密化成型。无论采取何种制备工艺，由于钛基复合材料中纤维和基体热膨胀系数差异大，高温成型后冷却过程不可避免地会产生残余应力，残余应力的存在对SiCf/Ti基复合材料的力学性能造成一定影响。如沿纤维方向基体中的残余拉应力和纤维中的残余压应力，使SiCf/Ti基复合材料在受到沿纤维方向的拉伸载荷时，基体提前进入屈服状态，而增强相SiC纤维则可以承载更多的拉应力，提高增强效果；横向的残余拉应力会使界面提前开裂。复合材料在服役过程中，缺陷的产生和扩展往往发生在微区，和微区的应力状态密切相关，微区应力状态除了和外加载荷相关还与残余应力直接相关。检测SiCf/Ti中的残余应力还可以预测零部件的疲劳寿命。
残余应力可以采用理论方法计算或实验方法测试。由于SiCf/Ti中纤维排布较为均匀规则，可以认为残余应力存在理论解析解，但计算残余应力的解析解需要确定开始产生残余应力的温度，而SiCf/Ti在高温成型冷却过程往往冷却到一定温度(T0)时才逐渐产生残余应力，而并非刚开始冷却时就产生残余应力。残余应力的实验测试方法一般有衍射法、Raman光谱法和基体腐蚀法等，而这些方法均存在一定的不足。采用X射线衍射法只能测距材料表面10μm左右的深度，测试结果的随机性较大；中子衍射法测量，虽然穿透深度增加，但同样存在测试结果的随机性较大，而且测试成本较高；采用Raman光谱测试，需要剥离基体钛合金，使材料中的残余应力状态发生改变；腐蚀基体测量纤维残余应变计算残余应力的方法受纤维弯曲的影响，测试工作量大，误差也较大。而且上述测试方法测试结果只能反映基体或纤维的平均应力，而实际的复合材料中应力并非均匀分布而是呈梯度分布。此外，制备这些测试方法需要的样品时往往会改变被测试区域的残余应力状态，导致测试时的残余应力状态和服役时存在误差，即存在方法误差。
残余应力和材料的损伤机制、使用寿命、结构设计及工艺优化等都有影响，因此确定残余应力及其分布对实现复合材料构件的设计、成型工艺制定和可靠使用具有重要指导意义。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种采用实验测试和有限元分析结合的方法来计算分析连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力，弥补现有测试分析SiCf/Ti残余应力方法的不足，提高测试精度，为工程应用奠定技术基础。
1.本发明的技术方案是：一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的计算方法，其特征在于实施步骤如下。
步骤一、进行复合材料纤维顶出试验：
制备试样：沿着垂直复合材料方向割取0.5mm～0.7mm的薄片，按GB/T5168-2020将薄片两面研磨抛光，采用千分尺测量薄片的最终厚度为L，一般为0.3～0.5mm；
在目标测试温度(通常为室温(一般25℃))下将薄片放置在样品台上并固定，压头对准纤维后以0.05mm/min～0.2mm/min的速度下压，将纤维顶出后可以获得测试过程的“位移-载荷”曲线，从曲线中可以读取纤维完全脱粘后受到的摩擦力数值F。
步骤二、有限元计算开始产生残余应力的温度：
采用高度为所述厚度L的同轴柱体单胞模型作为复合材料的代表单元(其中纤维和基体只有摩擦接触而没有化学结合)；
在0.5T～T温度区间以5℃～25℃为间隔(间隔越小，精确度越高)，选取不同的温度，并通过有限元法分别计算从选取的不同温度冷却至目标测试温度(室温(一般为25℃))后顶出试验的摩擦力，当计算得到的摩擦力与步骤一得到的F接近(±5％)时，认为从对应的选取温度下(T0)开始产生残余应力，其中T为复合材料制备温度。
步骤三、有限元计算残余应力：
采用高度为所述厚度L的同轴柱体单胞模型作为复合材料的代表单元(其中纤维和基体为化学结合)；
通过有限元法计算从步骤二得到的T0温度下冷却至目标测试温度(室温(25℃))后的残余应力。
本发明的优点：(1)本发明可以剔除样品制备引起的残余应力变化的影响，确定复合材料实际服役时的残余应力(2)本发明可以确定开始产生残余应力的温度并准确计算残余应力及其分布。
附图说明
图1为顶出试验的示意图；
图2为顶出试验过程中的“位移-载荷”曲线图；
图3为本发明的方法中采用的有限元几何模型；
图4为不同温度下的摩擦力的计算结果图；
图5为残余应力分布图。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例中所用材料为纤维体积分数为50％的SiCf/TC17复合材料，复合材料的成型温度为920℃。
1.将SiCf/TC17垂直与纤维方向切割出厚度0.6mm厚的薄片，按GB/5168-2020将薄片两面研磨抛光，用游标卡尺测量薄片厚度为0.42mm。
2.在25℃下，将薄片置于样品台并固定，压头对准纤维后以0.1mm/min的速度下压，示意图如图1所示，图中中央的凸起为压头。顶出纤维过程可以获得“载荷-位移”曲线，得到曲线如图2所示，图2中曲线到达峰值后突降的位置即为纤维与基体完全分离后的摩擦力的值，摩擦力的大小只和摩擦常因数和界面的正压应力有关，摩擦因数为常数，界面的正压应力和开始产生残余应力的温度相关。本实例中共顶出5根纤维，达到峰值载荷为6.2N(平均值)后纤维与基体的化学结合完全分离，两者只剩摩擦力的相互作用，从图2可以读取摩擦力取平均值为4.5N。
3.对纤维/基体完全分离后的过程进行有限元计算：采用高度为所述厚度L的同轴柱体单胞模型作为复合材料的代表单元(其中纤维和基体只有摩擦接触而没有化学结合)，有限元几何模型如图3(a)，其中界面(AB)只有机械摩擦接触，没有化学结合。体现在有限元条件设置为：AB两侧为两个部件，相互作用为接触，两个界面的摩擦因数为0.33。边BC为固定不动，压头下压0.3mm。温度分别从825℃、800℃、775℃、750℃、725℃、700℃下冷却至25℃下的摩擦力的有限元计算结果如图4，可以看出从775℃下的摩擦力4.45N与测试结果较为一致，一般在±5％的范围内即可认为两者较为一致。因此，认为开始产生残余应力的温度T0为775℃。
4.对SiCf/TC17从775℃冷却至25℃时的残余应力的有限元计算：采用高度为所述厚度L的同轴柱体单胞模型作为复合材料的代表单元(其中纤维和基体为化学结合)，有限元几何模型如图3(b)，其中界面(AB)为化学结合，体现在有限元条件设置为：AB两侧两个部件为绑定。在冷却过程中，由于内力的相互作用，上下边OAD、O’BC上的点沿着高度方向具有相同的位移，温度从775℃下冷却至25℃后的残余应力及其分布的计算结果如图5。
上述3.和4.中所提及的有限元计算为本领域技术人员所公知的常规技术，在本文中不再进行详细说明。

Claims (4)

1.一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力计算方法，包括以下步骤：
步骤一、进行复合材料纤维顶出试验：
制备试样：沿着垂直于复合材料的方向割取一定厚度的薄片，将薄片两面研磨抛光，并测量薄片的最终厚度L；
顶出试验：在室温下将薄片放置在样品台上并固定，压头对准纤维后以预定下压速度下压，将纤维顶出后获得顶出过程的“位移-载荷”曲线，根据所述曲线读取纤维完全脱粘后受到的摩擦力F；
步骤二、有限元计算开始产生残余应力的温度：
采用高度为所述厚度L的同轴柱体单胞模型作为复合材料的代表单元，其中纤维和基体只有机械接触而没有化学结合；
在0.5T～T温度区间间隔预定值，选取不同的温度，分别通过有限元法计算从选取的温度冷却至所述室温后顶出试验的摩擦力，当计算得到的摩擦力与步骤一得到的摩擦力F接近时，认为从对应的选取温度T0下开始产生残余应力，其中T为复合材料制备温度；
步骤三、有限元计算残余应力：
采用高度为所述厚度L的同轴柱体单胞模型作为复合材料的代表单元，其中纤维和基体为化学结合；
通过有限元法计算从步骤二得到的T0温度下冷却至所述室温后的残余应力。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述一定厚度为0.5mm～0.7mm，所述薄片的最终厚度L为0.3～0.5mm。
3.按照权利要求1所述的方法，其中压头的下压速度为0.05mm/min～0.2mm/min。
4.按照权利要求1所述的方法，其中在0.5T～T温度区间间隔预定值，选取不同的温度时，所述预定值为5℃～25℃。
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