[发明专利]金属材料抗热震性温差值的设定

说明书

本发明属于利用材料综合机械性能判定材料特征的方法。主要涉及金属材料高温下抗热震性能。

有的金属材料或其部件在使用时不仅处于超高温的环境下，而且还要经受超音速粒子流的冲刷及强烈的热震动。例如，用于制作固体火箭燃气舵的钨基渗铜材料，该燃气舵安装在火箭喷管后面，并伸入燃气流中，这种固体燃料复合推进剂的燃气流中，含有10％的Al₂O₃固体粒子。故该钨基渗铜材料不仅要遭受高达2200～3300℃的高温燃气的考验，而且还要经受超音速的高速粒子流的冲刷及热震动。

类似于钨基渗铜材料之类的短时使用的高温抗热震性的金属材料均属于脆性材料，它们在热气动力作用下易产生脆性断裂，即在低于其材料本身抗拉(结合)强度的情况下发生应力再分配，当外加应力的变化速率超过应力再分配的速率时，就产生断裂，而且这种断裂是意外的，没有前兆的，为此，将造成毁灭性灾难。为此，对于在如此极为恶劣环境中工作的金属材料，不仅要求具有较高的高温强度，而且还需具有优异的抗热震性能。

在现有技术中，为了确保类似这种燃气舵材料的使用可靠性，除了要求适当的理论密度、抗拉强度、弹性模量、泊桑比、含铜量等物理和力学参数外，还要利用超声波探伤和X射线分析对材料内部微观结构进行检测，满足以上技术参数及物理检测后，在正式使用前还要地面热试车，以便验证材料的抗热震性等。实距践中，即使完全满足上述力学、物理参数及物理检测条件的材料，在热试车时仍出现失败现象。也就是说，按照现行的上述各类检验标准或技术要求，还不能使材料的实际使用达到万无一失，亦即上述力学、物理参数和物理检验还不能完全反映材料的抗热震性能。

本发明的目的在于提供一种金属材料在高温和超音速燃气粒子流冲击下抗断裂能力的综合指标—抗热震温差值△Tmax，以△Tmax作为检验材料的性能指标，保证材料使用安全。

针对上述目的，本发明的技术方案如下：

根据材料的热弹性和热膨胀理论、应力—应变理论与广义虎克定律，以及大量试验，可以得出对于金属材料，抗热震温差值能表征金属材料在高温和超音速燃气粒子流冲击下衡量抗断裂能力的综合指标，抗热震温值△Tmax的表征式如下：式中σ_b为材料的抗拉强度(MPa)，μ为材料的泊松比，α为材料的热膨胀系数(/℃)，E为材料的弹性模量(MPa)。

设材料的内应力为张应力，象固体火箭燃气舵之类的材料，使用时由室温突然急剧升至高温，在材料内部产生温度梯度，亦即产生热应力，此时，材料内任一点的温度T是时间t和距表面距离y的函数，即T＝f(t，y)。温度分布呈抛物线状，表面温度T_b比平均温度T_p高、表面产生压应力σ-，中心温度T_z比T_p低，所以中心是张应力σ+。材料突然急剧升温时，材料表面的平均温度T_p与材料任意点的温度T之差为△T＝T_p-T，在某一时刻，任一点热应力决定于该点温度T和材料在该时刻的平均温度T_p之间的差值△T，即热应力σ取决于△T(以上参看图1、图2、图3)。

为防止材料的断裂失效，所产生的内应力必须小于材料的最大强度极限(断裂强度)σmax，为此，相应地材料所允许的最大温度△Tσmax直接关联σmax。

为此，材料的断裂强度与热弹性模量E、材料的热膨胀系数和允许的最大温差关系式为： σ b = Eα ( 1 - μ ) Δ T max ]]>即(8)式中的σ_b、μ、α和E应是在基体材料的1/2熔点温度下所分别测得抗拉强度(MPa)、泊松比、热膨胀系数(/℃)和弹性模量(MPa)。

根据大量试验，对于用于固体火箭燃气舵的钨基渗铜材料，其△Tmax值为：

即对于该类材料△Tmax为120～132℃最为合适，这是根据大量试验，保证材料安全使用所确定的最佳值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：