2024年4月28日发(作者：emergency)

第

31

卷第

3

期

2021

年

6

月

广东石油化工学院学报

Josm/

of

GuanuUonu

UnOosity

of

PeWochemical

Tohnolopy

Vo/

31

No.

3

June

2021

硼化物基超高温陶瓷材料在热力耦合作用下力学性能研究

I

刘宝良

2

李振国

2

,

李艳松

2

李军旗

3

（

1.

广东石油化工学院建筑工程学院

，

广东茂名

525400

；

2.

黑龙江远升工程咨询有限公司

，

黑龙江哈尔滨150000

；

3.

黑龙江科技大学理学院

，

黑龙江哈尔滨

154022

）

摘要：

以新型天地往返飞行器

、

高超声速飞行器和火箭推进系统等最具前景的候选材料

—

—

硼化物基超高温陶瓷材料的应

用为背景,采用有限元法

ABAQUS

软件对

UHTC

试件进行数值模拟

，

得到带有表面贯穿裂纹的

UHTC

试件在不同加载条件

下的应力

、

应变及应力强度因子的变化规律

，

为研究材料在热冲击过程中考虑应变速率的影响奠定理论基础

。

关键词:

超高温陶瓷材料;热冲击;数值模拟;应力强度因子;热应力

中图分类号:

V528

文献标识码

：

A

文章编号:

2095

-2562

（

2021

）

03

-0044

-05

高超声速飞行器的出现将给人类生活带来极为深远的影响

7

］

。

由于硼化物

（ZrB

0

）

具有较好的力学

性能和热物理性能

，

包括高熔点

（

＞3002

°C

）

、

高电导率

、

高热导率

、

较高的抗热冲击性能

，

所以硼化物是在

高于

2202

C

热冲击环境下应用的最具前景的候选材料

7

一

4

。

超高温陶瓷材料具备在高超声速长时飞行

、

大气层再入

、

跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境中的性能,其使用对象包括飞行器鼻锥

、

翼缘

、

发动

机热端等各种关键部位或部件

7

「

8

。

哈尔滨工业大学孟松鹤

、

张幸红等

7

「

5

］

开展了对

ZrB

0

-

SO

基超高

温陶瓷材料热冲击性能及催化

/

氧化性能等一系列研究工作

。

中国运载火箭技术研究院研发中心屈强

等

7

5

］

通过水淬法对原位合成与热压烧结制备的组分为

ZrB

0

-20%

-

SO

-6.26%

ZrC

陶瓷材料的热震性

能进行了研究

。

大连理工大学唐春安等

7

5

］

运用热传导和热

-

力耦合的相关理论

，

借助统计分布来考虑陶

瓷中存在的微孔洞和微裂隙

。

重庆大学李卫国等

7

5

］建立了适用于升温服役环境下表征超高温陶瓷材料

抗热震性能的热-损伤模型

。

广东石油化工学院刘宝良等

［

5

-

15

］

开展了超高温陶瓷材料热冲击和超高速

撞击下的力学性能研究

。

本文以硼化物基超高温陶瓷材料为研究对象

，

首先运用

ABAQUS

软件对

UHTC

试件模拟仿真

，

得到带有表面贯穿裂纹的

UHTC

试件在不同加载条件下的应力和应力强度因子数值

，

进而

分析应力和应力强度因子在不同加载条件下的变化规律;其次对硼化物基超高温陶瓷材料局部快速升温

条件下的热应力

、

应变进行模拟分析

，

并分析

UHTC

部件中心单元的热应力

、

应变随温度变化的规律

。

1

理论模型

1-1

热传导基本方程

热传导是热量从高温物体向低温物体传递或者同一个物体中高温部分向低温部分传递的过程

，

这个

过程可以通过公式

（

5

~

（

3

）

来表示

。

收稿日期

：

2722

-10

-25

；

修回日期

：

270

、

-23-25

基金项目

：

国家自然科学基金项目

（

11570113

）

；

黑龙江省自然科学基金项目

（

A27

、

7079

）

；

哈尔滨市杰出青年项目

（

27

、

7RAYXJ

（

/5

）

；

广

东省教育厅

2215

年特色创新项目

（

2615KTSCX145

）

;

广东省石油化工学院科研基金人才引进项目

（

51973

、

）

作者简介:刘宝良

（

1974

—

）

男

，山东滨州人

，

博士

，

教授

，

主要从事超高温复合陶瓷材料加工工艺及制备

、

复合材料结构强度设计

、

结

构断裂性能等方面的工作

。

第

3

期

刘宝良等:硼化物基超高温陶瓷材料在热力耦合作用下力学性能研究

41

(2)

(

3

)

根据能量平衡原理

，

一般的瞬态三维温度场的变化满足如下微分方程

：

dT

7

F

t

7

宗

T

7

宗

T

Q

P

・

c

〒

=7

2

-

+

7

2

-

+

7

—

2

+p

・

Q

d

t

乂

d

x

歹

d

y

z

d

z

式中

：

为材料密度;

；

为比热容

；

为热导率;

Q

为材料内部的热源

。

(

4

)

式

(4)

左边是微元体升高温度所需要的热量;右边第

1

、

2

、

3

项分别是由兀

、

和

z

方向传热微元体的热

量;右边最后一项则是存在内部热源的微元体中内部热源产生的热量

。

由微分方程可知

，

微元体升高温度所需的热量与传入微元体的热量和微元体内部热源产生的热量之

和持平

。

在没有内部热源的情况下

，

瞬态温度场可以简化为式

(5

)

:

c

t

7

F

t

7

F

t

7

F

t

c

1.2

热应力断裂理论

乂

cx

2

y

c

C

z

c

,

(5

)

基于热弹性理论

，

以热应力和材料固有强度之间的平衡条件作为判断热冲击断裂的依据,见式

：

S

(6

)

当变温

4T

引起的热冲击应力超过了材料的固有强度

a

H

则发生瞬时断裂

，

即热冲击断裂

。

当试件受

到一个急冷温差

AT

时

，

在初始瞬间

,

表面收缩率为

a

A

T

面内层未冷却收缩

,

于是表面层受到一个来自

里层的拉(张)力

，

这个由于急剧冷却而产生于材料表面的拉应力见式

：

E

a

a

f

=

-

x

A

T

v

(

2

)

一般将表面热应力达到材料固有强度

S

，

作为临界状态

，

临界温度

A

T

-

为抗热冲击系数

R

,

根据上式

可得

：

E

a

(3)

2

几何模型

2.1

计算模型

采用的模型大小为

2mmx4

mmx22

m

叫

而且为了模拟出含有缺陷的构件在实际工况中的情况

，

在

部件的两端分别留出

3

mm

的长度来模拟实验过程中两端的夹持状态

。

本文在模型下表面设置了一个具

有不同深度的表面贯穿裂纹

，

裂纹深度的设置按照

构件半高度的

10%

〜

104%

,

即裂纹沿构件高度方

向数值由

4.

2

〜

2

mm

。

同理,在模拟过程中模型按

亠

Z1

F

—

—

16

mm

|4

mm

/

2

mm

裂纹的深度分为十组

,

运用控制变量的分析方法

,裂

纹深度为唯一变量,其他变量保持不变

。

三点弯曲

图

1

标准三点弯曲试件

模拟加载图如图

1

所示

。

2.0

材料参数

陶瓷材料弹性模量

J

0

］

随温度变化可以通过公式

(9)

表示

：

E

二

E

-B

0

T

e-

Tm/T

+B

1(

T-

B

0

T

m

+

IT-B

2

T

ml

)e-

Tm/T

式中:

E

为材料在

4

°C

下的弹性模量;

T

为材料熔点

;B

0,

B

1,

B

2

为常数

。

(9

)

由于

SiC

的弹性模量与

Zrd

9

的弹性模量比较接近

，

所以改变

SiC

含量对

Zrd

9

-

SiC

的弹性模量影响

不大

。

因此,本文将

Zrd

9

-

SiC

的弹性模量取为

574

GPa

。

Zrd

9

的熔点

T

为

3444

C

,Zrd

9

与日他都是金

属硼化物

，

均属于六方晶系

，

二者在耐高温性能方面具有很多相似之处

。

因此

，

由于

Zrd

9

高温参数的缺

42

广东石油化工学院学报

2021

年

乏

，

文中采用已知的

HOB

参数

（

凤

=2.

54,2?

1

二

1.

9,2?

0

=0.

363

），

通过公式

（

9

）

近似模拟

乙

、

2

的弹性模量

随温度的变化情况

。

采用的

UHTC

材料为

ZrB

2

，

其常温下的材料参数如表

1

所示

。

表

1

材料参数

材料

乙

、

2

E/

GPa

V

k/(

W/m

•

K

)

a/MPa

563

c/(J/ky

•

K

)

800

p

(/cm

3

)

2.29

k

/

(

cm

2

/c

)

500

0.

5

20

0.12

2.3

有限元模型计算

1

）

网格划分

。

本文的裂纹设置方式采用

ABAQUS

中模拟裂纹扩展的扩展有限元方法

，

因此裂纹的

设置需要在

pari

模块中建立

shef

部件

，并在

interaction

模块中定义裂纹和部件接触区域

，

无须进行网格划

分

，

只用对实体部件进行网格划分

。

同时由于在只对部件进行划分时,部件比较规则

，

因此采用

Hex

（

六面

体

）

单元类型的网格划分方式

，

这样划分出来的网格的计算精度更高

，

且有助于求解的收敛性

。

1

应力强度因子

。

采用含有表面贯穿裂纹的应力强度因子计算公式

：

K

t

=

a

槡前

（

令

）

式中

Q

为裂纹尖端最大应力值

;

；

为裂纹深度

;

H

为裂纹半高度

;

F

为几何形状因子

。

（

5

）

3

数值模拟结果及分析

3

.

3

常温恒位移数值分析

不同裂纹深度的

UHTC

试件在常温恒位移加载条件下

mises

应力和应力强度因子随裂纹深度的变化

如图

2

和图

3

所示

。

从图

2

可以看出在常温恒位移载荷的作用下裂纹尖端的应力数值随着裂纹深度的增大呈上升趋势,

同时从图像可以看出随着裂纹深度的增大应力的增大速率除了裂纹从

0.4

〜

0.3

mm

的过程中有突变之

外

，

整体的变化是呈逐渐增大趋势

，

由此可以看出裂纹深度越大试件越易发生破坏

,

这也符合构件在使用

过程中的常识

。

从图

3

可以看出随着裂纹深度的增大,裂纹尖端的应力强度因子不断增大

，

同时增大的速率呈非线性

上升

，

可以从曲线的斜率明显看出

，

而且其趋势比应力随裂纹深度的变化规律性更强

，

更加具有说服力

，

因

此对于应力强度因子的研究就显得非常重要

。

图

0

常温恒位移作用下应力随裂纹深度变化

3.2

热力耦合数值分析

不同裂纹深度的

UHTC

试件在不同温度恒位移加载条件下

mises

应力和应力强度因子随时间变化如

图

4

和图

5

所示

。

从图

4

可以看出在热力耦合作用下裂纹尖端的

mises

应力随裂纹深度的增大呈上升趋势

，

随着温度

的增加裂纹尖端的

mises

应力除了少部分存在突变之外,整体呈递增的规律

。

从图

5

可以看出在热力耦合作用下裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹深度的增大呈递增的趋势

，

从

第

3

期

刘宝良等:硼化物基超高温陶瓷材料在热力耦合作用下力学性能研究

43

图中可以看出随着温度的增大裂尖的应力强度因子除了少数组突变外，

整体呈递增的变化趋势

。

5.50E+008

5.00E+008

4.50E+008

4.00E+008

1.20E+008

—

—

1400

—

1600

—

1800

1.00E+008

&

00E+007

3.50E+008

3.00E+008

2.50E+008

8

—

■

—

800

—

•

—

1000

1200

—

V

—

1400

—

1600

T

—

1800

—

♦-2000

6.00E+007

4.00E+007

2.00E+007

0.00E+000

2.00E+008

1.50E+008

1.00E+008

5.00E+007

裂纹深度

/mm

图

4

不同温度的

UHTC

试件应力随裂纹深度的变化

图

5

不同温度的

UHTC

试件应力强度因子随裂纹深度的变化

3.5

不同位移数值分析

不同裂纹深度的

UHTC

试件在常温不同位移(位移

1

〜

8

^m)

加载条件下裂纹尖端

mises

应力和应力

强度因子如图

6

和图

7

所示

。

从图

6

可以看出在不同位移载荷作用下

，裂纹尖端的

mises

应力随着位移的

增加基本呈线性增加

；

同时随着裂纹深度的增加裂尖的

mises

应力呈增大的规律

，

这也说明了在相同载荷

作用下裂纹深度越大越容易使

UHTC

试件破坏

。

从图

7

可以看出在不同位移载荷作用下裂纹尖端的应力强度因子随着位移载荷的增大呈线性增长;

随着裂纹深度的增加裂尖的应力强度因子逐渐增大

，

而且增大的速率逐渐加大

，

说明裂纹深度越大

，

裂纹

越易发生破坏

1.20E+009

1.00E+009

cd

&

00E+008

5

6.00E+008

—

■

—

0.2

mm

—

•

—

0.4

mm

—

▲

—

0.6 mm

—

▼

—

0.8

mm

—

1.0

mm

—

►

—

1.2

mm

—

4

—

1.4

mm

—

1.6

mm

—

•

—1.8

mm

—

★

—

2.0

mm

2.00E+008

'

―

■

—

0.2

mm

0.4

mm

1.50E+008

1.00E+008

―

4

—

1

.0

mm

—

►

—

1.2

mm

♦

1.4

mm

1.6

mm

-―•

—

1-8

mm

4.00E+008

5.00E+007

2.00E+008

0.00E+000

0.00E+000

位移

/

|JLm

图6

不同裂纹深度的

UHTC

试件应力随位移的变化

图

7

位移

/|JLm

不同深度的

UHTC

试件应力强度因子随位移的变化

4

结论

(1)

在相同的加载条件下

，

随着裂纹深度的增大

，

裂纹尖端的应力和应力强度因子随着增大;裂纹尖

端的应力和应力强度因子随着温度和位移载荷的增大而增大;

(2)

随着裂纹深度的增加

，

裂纹尖端的应力和应力强度因子的增大速率越来越大

，

而且裂纹尖端应力

强度因子的变化规律性比裂尖应力更强;

(3)

在快速升温的过程中热应力最大值出现在

UHTC

试件中心附近;通过热应力分析输出试件的应

力分布云图,得出了在试件中心部位附近由于温度梯度的存在产生拉应力的结论

。

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pmpeeies

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：

5

-23.

Research

on

Mechanical

Properties

of

Borohydride

High

Temperature

Ceramic

Materiale

under

Thermodynamia

Coupling

LIL

Bao/ang

,

LI

Zhoguo,

LI

Yansong

,

LI

Junqi

(7

Collepe

cl

ArchitecWral

EngideeBno

,

Guangdoso Univeeity

cl

PeWochemical

Techaoloop

,

Maoming

525602

,

Chiaa

；

0.

Heilosgjiang

Yuansherg

Highwap

EngideeBng

Cossu/anW

SupemisOs

Co.

,

Lth.

,

Harbis

136707,

Chiaa

；

5.

Scierce

Collepe

,

Heilosgjiang

University

cl

Scierce

and

Techaoloyp

,

Harbis

156722,

Chiaa)

Abstract

:

UnUer

the

bachyrosnd

of

the

app/cation

of

boroSyPBde

high

temperature

ceramic

materia/

,

often usef

as

candidaw

mate-

ria/

in

spacecraf-,

hypersonic

aircraft

and

rochet

propulsion

systems,

finite

elemen)

method

of

ABAQUS

software

is

used

te

numeB-

cally

simulate

UHTC

specioen

,

odwining

the

changing

rule

of

the

stress

,

strain

and

stress

intensity

factor

of

UHTC

specioen

with

sueace

penetratiny

emeh

under

diOeren)

loabiny

conditions.

Thus

a

theoretic/

fosndaPon

is

laid

for

the

study

on

the

effee)

on

strain

rate

on

thermal

shoch

process

of

materials.

Key

worte

:

Ultra

high

temperature

ceramic

；

heal

shoch

；

numeBcal

sioulation

;

stress

intensity

factor

;

thermal

stress

（

责任编辑:余雪芳

）