一种陶瓷基复合材料载荷参数-寿命曲线获取方法

摘要

本发明公开了一种陶瓷基复合材料疲劳载荷参数‑寿命曲线获取方法，将原始试件切分为两部分，分别作为疲劳试件与强度试件；利用强度试件测试材料的静强度；将静强度试验获得的静强度值作为对应疲劳试件的强度值，以确定疲劳试件的疲劳载荷；利用陶瓷基复合材料疲劳试件进行疲劳试验，直至试件断裂或载荷循环周次达到设定值时，结束疲劳试验；进而将疲劳试验所施加的最大载荷与强度试验获得的静强度值进行归一化处理；最后将试验获得的若干组归一化后的疲劳载荷参数与对应的疲劳寿命结果进行最小二乘法拟合。本发明在考虑不同试件强度存在分散性的前提下，获得陶瓷基复合材料的载荷参数‑寿命曲线。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料疲劳载荷-寿命曲线领域，尤其涉及陶瓷基复合材料的一种载荷参数-寿命曲线的获取方法。

背景技术

陶瓷基复合材料具有耐高温、抗腐蚀、高比强度、高比刚度等优点，在飞行器推进系统与热防护系统、飞机制动盘、导弹雷达罩等领域获得了广泛应用。陶瓷基复合材料由基体和纤维组成，其成形工艺主要包括化学气相渗透、化学气相沉积等方法。由于陶瓷基复合材料在制备过程中具有一定的不可控性，且机械加工可导致不同试件内部的纤维束分布存在差异，导致陶瓷基复合材料的强度具有较大的分散性。为避免因不同陶瓷基复合材料试件分散性较大导致难以获得应力-寿命曲线，需要建立一种陶瓷基复合材料载荷参数-寿命曲线的获取方法。

发明内容

本发明目的在于获取一种陶瓷基复合材料的载荷参数-寿命曲线。由于陶瓷基复合材料的强度具有一定的分散性，因此需要提出一种在考虑强度分散性基础上获得材料载荷参数-寿命曲线的方法。本发明通过将一个原始试件切分成强度试件和疲劳试件(强度试件与疲劳试件内部具有近乎相同的纤维束分布)，在确定强度试件静强度值和归一化处理的基础上，确定疲劳载荷参数。进而，通过对多组试验所获得的疲劳载荷参数与疲劳寿命进行最小二乘拟合，可获得规整且便于工程应用的载荷参数-寿命曲线。

本发明采用的技术方案为一种陶瓷基复合材料载荷参数-寿命曲线获取方法，本方法的实现步骤如下：

步骤(1)：将陶瓷基复合材料原始试件切分成两部分，分别作为疲劳试件和强度试件；

步骤(2)：利用强度试件测试材料的静强度(拉伸强度或压缩强度)；

步骤(3)：将步骤(2)所获得的静强度值作为疲劳试件的静强度，以确定对疲劳试件施加的疲劳载荷；

步骤(4)：利用陶瓷基复合材料疲劳试件进行疲劳试验，直至试件断裂或载荷循环周次达到设定值时，结束疲劳试验；

步骤(5)：将疲劳试验所施加的最大载荷与强度试验获得的静强度值进行归一化处理，具体表达式为

式中，S为归一化后的疲劳载荷参数；σ为归一化前的疲劳应力；σ

步骤(6)：将若干组试验所获得的归一化后疲劳载荷参数与对应的疲劳寿命结果进行最小二乘法拟合，以获得载荷参数-寿命曲线。曲线的具体表达式为

式中，S

附图说明

图1为将陶瓷基复合材料原始试件切分成强度试件与疲劳试件的示意图；

图2为针刺C/SiC(碳纤维增强碳化硅基体)陶瓷基复合材料疲劳试件未经归一化处理的应力-寿命散点图，图中箭头→表示试件的疲劳寿命超过了所设定的10

图3为针刺C/SiC陶瓷基复合材料疲劳试件经归一化处理后的载荷参数-寿命曲线及散点，图中箭头→表示试件的疲劳寿命超过了所设定的10

图4为本方法实施流程图。

具体实施方式

结合附图说明本发明。

通过利用陶瓷基复合材料所进行的试验，对本发明作进一步说明。试验所用陶瓷基复合材料为针刺C/SiC陶瓷基复合材料。由于机械加工的原因，导致不同针刺C/SiC原始试件内部纤维束分布存在差异。但同一个原始试件内部不同区域的纤维束分布基本相同。因此，将复合材料的原始试件切分成强度试件与疲劳试件。强度试验中，对强度试件所施加载荷为单向拉伸载荷，加载速率为0.1毫米/分钟。疲劳试验的应力比(即最小疲劳应力与最大疲劳应力的比值)为0，载荷波形为正弦波，载荷频率为1Hz。

该陶瓷基复合材料需要进行疲劳试验和单向强度试验，同时要对试验结果进行归一化处理。对于原始试件不同的陶瓷基复合材料(如图3)，其内部的纤维分布也不相同，由于加工工艺的影响，导致试件具有不同的层，因此具有不同的强度。为了避免这一现象的影响，选用同一原始试件(如图2)，保证其内部纤维分布一致，通过单向强度实验即可得到该试件的强度值，降低了试件分散性对其寿命的影响。

具体操作如下：

步骤(1)：将针刺C/SiC陶瓷基复合材料原始试件切分成两部分，分别作为疲劳试件和强度试件(图1)；

步骤(2)：利用强度试件测试材料的拉伸强度；

步骤(3)：将步骤(2)所获得的拉伸强度值作为疲劳试件的拉伸强度，以确定对疲劳试件施加的拉伸疲劳载荷；

步骤(4)：利用针刺C/SiC陶瓷基复合材料疲劳试件进行拉伸疲劳试验，直至试件断裂或载荷循环周次达到10

步骤(5)：将疲劳试验所施加的最大拉伸应力与强度试验获得的拉伸强度值进行归一化处理，具体表达式为

式中，S为归一化后的疲劳载荷参数；σ为归一化前的疲劳应力；σ

步骤(6)：将若干组试验所获得的归一化后疲劳载荷参数与对应的疲劳寿命结果进行最小二乘法拟合，以获得载荷参数-寿命曲线。曲线的具体表达式为

式中，S

图2为针刺C/SiC陶瓷基复合材料疲劳试件未经归一化处理的应力-寿命散点图，图3为针刺C/SiC陶瓷基复合材料疲劳试件经归一化处理后的载荷参数-寿命曲线及散点。对比图2与图3可知，利用本发明所提出的疲劳载荷参数-寿命曲线获取方法，能够有效考虑不同陶瓷基复合材料试件强度分散性的影响，并获得规整且便于工程应用的载荷参数-寿命曲线。

本发明提供了一种陶瓷基复合材料载荷参数-寿命曲线获取方法，涉及复合材料载荷-寿命曲线领域，该方法步骤为：步骤(1)：将陶瓷基复合材料原始试件切分成两部分，分别作为疲劳试件和强度试件；步骤(2)：利用强度试件测试材料的静强度(拉伸强度或压缩强度)；步骤(3)：将所获得的强度试件静强度值作为疲劳试件的静强度，以确定对疲劳试件施加的疲劳载荷；步骤(4)：利用陶瓷基复合材料疲劳试件进行疲劳试验，直至试件断裂或载荷循环周次达到设定值时，结束疲劳试验；步骤(5)：将疲劳试验所施加的最大载荷与强度试验获得的静强度值进行归一化处理；步骤(6)：将若干组试验所获得的归一化后疲劳载荷参数与对应的疲劳寿命结果进行最小二乘法拟合，以获得载荷参数-寿命曲线。本发明所提出的获取载荷参数-寿命曲线的方法已通过针刺碳/碳化硅陶瓷基复合材料试验进行了验证。因此，本发明所提供的方法可有效获取陶瓷基复合材料载荷参数-寿命曲线。