[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuous carbon fiber reinforcedsilicon carbide composites，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“Budiansky B,Hutchinson J W,Evans A G.Matrix fracture in fiber-reinforced ceramics[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,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“Xu Y,Zhang P,Lu H,et al.Numerical modeling of oxidized C/SiCmicrocomposite in air oxidizing environments below 800℃:Microstructure andmechanical behavior[J].Journal of the European Ceramic Society,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“Curtin W A,Ahn B K,Takeda N.Modeling brittle and tough stress–strain behavior in unidirectional ceramic matrix composites[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。