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簡析功能梯度材料的熱應(yīng)力分析及研究進(jìn)展論文
0引言
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，材料科學(xué)的研究與發(fā)展不再局限于如金屬、陶瓷、合金等均質(zhì)材料，根據(jù)外部環(huán)境的不同可能對(duì)同一材料提出不同的功能要求，這類材料一般由兩種物理性質(zhì)完全不同的材料復(fù)合而成。例如:在航空航天技術(shù)領(lǐng)域里，高性能航天飛行器的耐熱覆層要求材料即能耐超高溫，又能承受巨大的內(nèi)部溫差，均質(zhì)材料無法承受航天飛行器往返大氣層時(shí)由于摩擦而產(chǎn)生的超高溫度，金屬與陶瓷的復(fù)合材料既能滿足耐熱性要求，也能滿足強(qiáng)度的要求，然而二者的熱膨脹系數(shù)不同，若將金屬與陶瓷直接組合成一種復(fù)合材料，界面處會(huì)產(chǎn)生無法承受的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致材料的破壞。FGM連續(xù)改變組織、結(jié)構(gòu)及空隙等要素，使材料內(nèi)部界面消失并緩解熱應(yīng)力，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的一種新型非均質(zhì)復(fù)合材料。
1 FGM的熱應(yīng)力理論分析
在FGM的制備及使用過程中將會(huì)產(chǎn)生溫度的變化，這將引起FGM中各組分不均勻的收縮或膨脹，從而產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力。掌握熱應(yīng)力的分布規(guī)律是研究FGM在設(shè)計(jì)和制備方面最基本的理論依據(jù)。因而，要深入地分析殘余熱應(yīng)力不僅是現(xiàn)階段FGM研究的一個(gè)熱門也是一個(gè)難題。
1.1 FGM組分分布模型與普通的復(fù)合材料不同的是，F(xiàn)GM材料的組分和孔隙等要素均按一個(gè)或兩個(gè)方向發(fā)生連續(xù)、平緩或階梯狀的變化，因此需建立一個(gè)方程將FGM材料組分與梯度變化方向聯(lián)系起來。
1.2物理參數(shù)模型在進(jìn)行FGM熱應(yīng)力計(jì)算以前，必須確定FGM材料的物性參數(shù)值，由于非均勻材料的物性參數(shù)是由材料內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)決定的“混合律”推算得來的，依據(jù)混合律可半定量地確定不同組分混合料的物性參數(shù)值
2功能梯度材料熱的應(yīng)力分析
目前解析法主要應(yīng)用于線彈性條件下FGM殘余熱應(yīng)力的計(jì)算，而對(duì)于彈塑性FGM的分析計(jì)算方法研究很少，對(duì)于非均質(zhì)材料，要得到熱應(yīng)力分布的精確解析解是不可能的，因?yàn)榻馕龇ň窒扌院艽螅瑑H僅限于解決一維問題。針對(duì)于FGM組成和熱應(yīng)力分布的復(fù)雜性，采用有限單元分析方法來對(duì)殘余熱應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算是較為可行的一種方法。
美國猶他大學(xué)教授根據(jù)經(jīng)典彈性力學(xué)推導(dǎo)出了彈塑性條件下FGM殘余熱應(yīng)力的解析計(jì)算表達(dá)式，并對(duì)Ni-A1203系列的FGM平板狀試樣的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:
①當(dāng)FGM組分梯度呈線性分布時(shí)殘余熱應(yīng)力最小;當(dāng)組分梯度呈凸?fàn)罘植紩r(shí)在陶瓷層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力為拉;反之，殘余應(yīng)力為壓。②Ni和A1203系的熱膨脹系數(shù)和彈性模量隨溫度變化對(duì)殘余熱應(yīng)力的影響很小。③對(duì)Ni-A120。系的FGM平板狀試樣，增加材料梯度層數(shù)目可有效降低殘余熱應(yīng)力。
FGM熱應(yīng)力的解析法分析雖然簡單易行，但是其計(jì)算精度比較低，采用有限元分析方法能夠?qū)GM殘余熱應(yīng)力進(jìn)行精確的分析。
李臻熙等通過對(duì)Ni-A1203系FGM制備過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，得到下面的結(jié)論:
①在一定范圍內(nèi)，殘余熱應(yīng)力隨著FGM梯度層的厚度增大而減小;②FGM殘余熱應(yīng)力在當(dāng)其組分分布系數(shù)p=0.75時(shí)最小;③FGM起到了緩和NFGM的Ni-A120。界面附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布較為均勻，各軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力分量最大值均明顯降低。
3結(jié)語
針對(duì)目前對(duì)FGM熱應(yīng)力研究狀況和發(fā)展的趨勢(shì)，還可進(jìn)一步開展以下工作:①由于FGM的各項(xiàng)物性參數(shù)在沿著組分梯度方向發(fā)生的變化很大，且與微觀結(jié)構(gòu)也有很重要的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)建立更為精準(zhǔn)的微觀結(jié)構(gòu)模型來對(duì)FGM的物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以將模糊數(shù)學(xué)理論引入FGM物性參數(shù)的計(jì)算模型。②應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)熱力學(xué)理論及本構(gòu)方程的研究和推導(dǎo)以完善FGM的組分分布模型與物理參數(shù)模型在理論推導(dǎo)方面的建立。③應(yīng)展開對(duì)FGM多維非線性分析的理論及具體的試驗(yàn)探究。
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