[發明專利]一種連續SiC纖維增強鈦基復合材料殘余應力計算方法

在審

• 申請號: 202111176173.5
• 申請日: 2021-10-09
• 公開（公告）號: CN113984463A
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 李虎;黃浩;王敏涓;黃旭
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N1/32;G01N3/08;G06F30/23
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發明涉及一種連續SiC纖維增強鈦基復合材料殘余應力的計算方法。本發明通過試驗測試和有限元分析相結合，首先進行復合材料薄片的纖維頂出試驗確定纖維與基體分離后的摩擦力，采用有限元的方法通過摩擦力推算開始產生殘余應力的溫度，進而再計算從該溫度下冷卻至室溫后復合材料內部的殘余應力及其分布。該方法的優點是通過設定與實際情況相符的有限元邊界條件，剔除制備測試樣品過程改變的復合材料內部應力狀態的影響，同時方便計算分析不同體積分數、不同結構的殘余應力及其分布情況，得到的殘余應力信息更為詳細。

技術領域

本發明屬于材料測試分析技術領域，涉及一種連續SiC纖維增強鈦基復合材料殘余應力的計算方法。

背景技術

連續SiC纖維增強鈦基復合材料(SiC_f/Ti)具有優異的室高溫性能，在航空航天領域有較大的應用前景。連續SiC纖維增強鈦基復合材料是以連續SiC纖維為增強體、鈦合金為基體，采用箔壓法、纖維-基體涂層法等工藝在高溫下致密化成型。無論采取何種制備工藝，由于鈦基復合材料中纖維和基體熱膨脹系數差異大，高溫成型后冷卻過程不可避免地會產生殘余應力，殘余應力的存在對SiC_f/Ti基復合材料的力學性能造成一定影響。如沿纖維方向基體中的殘余拉應力和纖維中的殘余壓應力，使SiC_f/Ti基復合材料在受到沿纖維方向的拉伸載荷時，基體提前進入屈服狀態，而增強相SiC纖維則可以承載更多的拉應力，提高增強效果；橫向的殘余拉應力會使界面提前開裂。復合材料在服役過程中，缺陷的產生和擴展往往發生在微區，和微區的應力狀態密切相關，微區應力狀態除了和外加載荷相關還與殘余應力直接相關。檢測SiC_f/Ti中的殘余應力還可以預測零部件的疲勞壽命。

殘余應力可以采用理論方法計算或實驗方法測試。由于SiC_f/Ti中纖維排布較為均勻規則，可以認為殘余應力存在理論解析解，但計算殘余應力的解析解需要確定開始產生殘余應力的溫度，而SiC_f/Ti在高溫成型冷卻過程往往冷卻到一定溫度(T₀)時才逐漸產生殘余應力，而并非剛開始冷卻時就產生殘余應力。殘余應力的實驗測試方法一般有衍射法、Raman光譜法和基體腐蝕法等，而這些方法均存在一定的不足。采用X射線衍射法只能測距材料表面10μm左右的深度，測試結果的隨機性較大；中子衍射法測量，雖然穿透深度增加，但同樣存在測試結果的隨機性較大，而且測試成本較高；采用Raman光譜測試，需要剝離基體鈦合金，使材料中的殘余應力狀態發生改變；腐蝕基體測量纖維殘余應變計算殘余應力的方法受纖維彎曲的影響，測試工作量大，誤差也較大。而且上述測試方法測試結果只能反映基體或纖維的平均應力，而實際的復合材料中應力并非均勻分布而是呈梯度分布。此外，制備這些測試方法需要的樣品時往往會改變被測試區域的殘余應力狀態，導致測試時的殘余應力狀態和服役時存在誤差，即存在方法誤差。

殘余應力和材料的損傷機制、使用壽命、結構設計及工藝優化等都有影響，因此確定殘余應力及其分布對實現復合材料構件的設計、成型工藝制定和可靠使用具有重要指導意義。

發明內容

鑒于現有技術的上述情況，本發明的目的是提供一種采用實驗測試和有限元分析結合的方法來計算分析連續SiC纖維增強鈦基復合材料殘余應力，彌補現有測試分析SiC_f/Ti殘余應力方法的不足，提高測試精度，為工程應用奠定技術基礎。

1.本發明的技術方案是：一種連續SiC纖維增強鈦基復合材料殘余應力的計算方法，其特征在于實施步驟如下。

步驟一、進行復合材料纖維頂出試驗：

制備試樣：沿著垂直復合材料方向割取0.5mm～0.7mm的薄片，按GB/T5168-2020將薄片兩面研磨拋光，采用千分尺測量薄片的最終厚度為L，一般為0.3～0.5mm；