高温循环载荷下CMC小复合材料失效机理与预测模型研究

作     者：张世榕 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高希光

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：SiC/SiC小复合材料 高温无氧 循环载荷 疲劳试验 细观损伤 疲劳寿命 

摘      要：陶瓷基复合材料(CMCs)由于高温力学性能优异,在未来航空航天领域具有广阔的应用前景。疲劳失效是航空发动机CMCs构件主要失效形式之一。CMCs结构件中主承力单元为纱线结构,一种CMCs小复合材料。因此,发展CMCs小复合材料疲劳失效分析技术是CMCs结构件疲劳分析的重要基础和前提。针对高温无氧循环载荷下CMCs小复合材料细观损伤不明确,且难以观测的问题,本文对损伤检测方法进行了研究。搭建了一种高温(800℃)无氧环境下小复合材料疲劳试验系统,发展了远距离基体裂纹在线观测系统和高温声发射测试装置,提出了适用于Si C/Si C小复合材料纤维断裂测量的声发射分析方法,实现了高温无氧环境下小复合材料疲劳过程中细观损伤在线检测。目前CMCs疲劳计算模型中,对损伤退化规律描述存在一定的假设,缺乏细观损伤演化试验数据。针对该问题,本文开展了大量小复合材料疲劳试验。进一步结合界面参数识别方法,获得了疲劳过程中基体裂纹、界面剪应力和纤维断裂率随循环数变化规律。分析了疲劳过程中材料变形行为和细观损伤机理,得到了高温循环载荷对小复合材料三种基本失效模式的影响机理与规律。最终,将所得规律与剪滞模型结合,融合高温基体开裂、界面磨损与纤维断裂模型,建立了小复合材料高温无氧疲劳寿命预测模型,实现了小复合材料高温无氧疲劳寿命预测,预测结果与试验误差在5倍分散带内。