[发明专利]一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力计算方法

说明书

本发明涉及一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的计算方法。本发明通过试验测试和有限元分析相结合，首先进行复合材料薄片的纤维顶出试验确定纤维与基体分离后的摩擦力，采用有限元的方法通过摩擦力推算开始产生残余应力的温度，进而再计算从该温度下冷却至室温后复合材料内部的残余应力及其分布。该方法的优点是通过设定与实际情况相符的有限元边界条件，剔除制备测试样品过程改变的复合材料内部应力状态的影响，同时方便计算分析不同体积分数、不同结构的残余应力及其分布情况，得到的残余应力信息更为详细。

技术领域

本发明属于材料测试分析技术领域，涉及一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的计算方法。

背景技术

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti)具有优异的室高温性能，在航空航天领域有较大的应用前景。连续SiC纤维增强钛基复合材料是以连续SiC纤维为增强体、钛合金为基体，采用箔压法、纤维-基体涂层法等工艺在高温下致密化成型。无论采取何种制备工艺，由于钛基复合材料中纤维和基体热膨胀系数差异大，高温成型后冷却过程不可避免地会产生残余应力，残余应力的存在对SiC_f/Ti基复合材料的力学性能造成一定影响。如沿纤维方向基体中的残余拉应力和纤维中的残余压应力，使SiC_f/Ti基复合材料在受到沿纤维方向的拉伸载荷时，基体提前进入屈服状态，而增强相SiC纤维则可以承载更多的拉应力，提高增强效果；横向的残余拉应力会使界面提前开裂。复合材料在服役过程中，缺陷的产生和扩展往往发生在微区，和微区的应力状态密切相关，微区应力状态除了和外加载荷相关还与残余应力直接相关。检测SiC_f/Ti中的残余应力还可以预测零部件的疲劳寿命。

残余应力可以采用理论方法计算或实验方法测试。由于SiC_f/Ti中纤维排布较为均匀规则，可以认为残余应力存在理论解析解，但计算残余应力的解析解需要确定开始产生残余应力的温度，而SiC_f/Ti在高温成型冷却过程往往冷却到一定温度(T₀)时才逐渐产生残余应力，而并非刚开始冷却时就产生残余应力。残余应力的实验测试方法一般有衍射法、Raman光谱法和基体腐蚀法等，而这些方法均存在一定的不足。采用X射线衍射法只能测距材料表面10μm左右的深度，测试结果的随机性较大；中子衍射法测量，虽然穿透深度增加，但同样存在测试结果的随机性较大，而且测试成本较高；采用Raman光谱测试，需要剥离基体钛合金，使材料中的残余应力状态发生改变；腐蚀基体测量纤维残余应变计算残余应力的方法受纤维弯曲的影响，测试工作量大，误差也较大。而且上述测试方法测试结果只能反映基体或纤维的平均应力，而实际的复合材料中应力并非均匀分布而是呈梯度分布。此外，制备这些测试方法需要的样品时往往会改变被测试区域的残余应力状态，导致测试时的残余应力状态和服役时存在误差，即存在方法误差。

残余应力和材料的损伤机制、使用寿命、结构设计及工艺优化等都有影响，因此确定残余应力及其分布对实现复合材料构件的设计、成型工艺制定和可靠使用具有重要指导意义。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种采用实验测试和有限元分析结合的方法来计算分析连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力，弥补现有测试分析SiC_f/Ti残余应力方法的不足，提高测试精度，为工程应用奠定技术基础。

1.本发明的技术方案是：一种连续SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的计算方法，其特征在于实施步骤如下。

步骤一、进行复合材料纤维顶出试验：

制备试样：沿着垂直复合材料方向割取0.5mm～0.7mm的薄片，按GB/T5168-2020将薄片两面研磨抛光，采用千分尺测量薄片的最终厚度为L，一般为0.3～0.5mm；