【碳化硅增强钛合金基复合材料热残余应力的有限元分析】表面残余应力的概念

　　摘要： 为探寻热解碳层对涂碳SiC纤维增强Ti-15-3钛合金基复合材料(C-iC/Ti-15-3)中热残余应力的影响，基于复合材料细观力学方法，建立在不同热解碳层厚度时C-iC/Ti-15-3复合材料的有限元单胞模型，模拟复合材料中热残余应力的分布.研究发现，在SiC纤维表面增加碳涂层能明显降低复合材料中的热残余应力，SiC表面的热解碳层厚度对复合材料中的热残余应力有很大影响；随着热解碳层厚度的增加，最大von Mises等效应力和径向应力呈现先减小后增大的趋势.
　　关键词： 复合材料； 热解碳层； 热残余应力； 界面层； 有限元
　　中图分类号： TG146.23；TB115.1 文献标志码： B
　　Finite element analysis on thermal residual stress of titanium
　　alloy matrix composite reinforced by silicon carbide
　　SHI Guanghui, YANG Qingsheng, ZHANG Lei
　　(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology,
　　Beijing 100124, China)
　　Abstract： To explore the influence of pyrolytic carbon layer on thermal residual stress of titanium(Ti-15-3) alloy matrix composite reinforced by fibre SiC coated carbon(C-iC/Ti-15-3), based on composite mesomechanics method, the finite element unit cell models of composite C-iC/Ti-15-3 with different thicknesses of pyrolytic carbon layer are built to simulate thermal residual stress distribution. It shows that the thermal residual stress of the composite can be reduced obviously by coating the fibre SiC with carbon, and the thickness of pyrolytic carbon layer coated SiC has great influence on the thermal residual stress of the composite. Along with the increase of the pyrolytic carbon layer thickness, the maximum von Mises equivalent stresses and radial stresses are decreased at first and then trend to increase.
　　Key words： composite; pyrolytic carbon layer; thermal residual stress; interface layer; finite element
　　SiC/Ti-15-3复合材料具有高强度、高刚度和高韧性等特性，在航空航天等高新技术领域应用广泛.SiC/Ti-15-3复合材料由高强度SiC纤维和超高强度亚稳定β型钛合金(Ti-15-3)基体构成.由于纤维和基体热膨胀系数不匹配，在复合材料界面上通常存在界面热残余应力.研究［1-4］表明，热残余应力对复合材料和构件的力学性能会产生重要影响，因此界面的残余应力在工程中备受关注［5-9］.在复合材料中，SiC并不能完全融入到基体中，在SiC与基体之间会形成具有一定厚度和力学性能的界面层，对复合材料的有效性能产生重要影响.复合材料界面层的几何与力学特性的表征一直是复合材料领域的重要研究方向之一.［10-12］
　　目前，研究SiC/Ti-15-3复合材料性能主要有两种方法：(1)通过试验的方法测定复合材料的物理和力学性能［13］，然后与基体材料的性能进行对比.试验测定方法主要分为有损和无损测试两大类，有损测试方法即为应力释放法，也称为机械方法，是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，去除一部分具有应力的金属，使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛.钻孔破坏原来的应力平衡状态，使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，用高灵敏度的应变仪测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值.(2)物理方法，其中用得较多的是X射线衍射法，其依据布拉格定律将宏观上可以准确测定的衍射角与材料中的晶面间距之间的关系转化为材料中应力所对应的弹性应变的变化关系.其他物理方法还有中子衍射法、磁性法和超声法等.近年来，随着计算机科学以及有限元软件的发展，数值方法同样成为研究热残余应力的重要手段之一.［14］
　　本文在文献［15］基础上，建立SiC/Ti-15-3复合材料有限元简化模型，数值模拟镀有不同厚度热解碳层的SiC纤维增强Ti-15-3钛合金基复合材料(C-iC/Ti-15-3)中热残余应力的分布，研究热解碳层厚度与SiC/Ti-15-3复合材料中热残余应力的关系，并寻找最佳热解碳层厚度，为制备性能更加优良的C-iC/Ti-15-3复合材料提供参考.所用的SiC纤维(SCS-6)经化学气相沉淀方法将SiC沉淀在碳芯上得到，其外表面有一层热解碳涂层；SiC/Ti-15-3用高温(1 152 K)等静压(100 MPa)成型工艺制成.