簡析功能梯度材料的熱應力分析及研究進展論文
0引言
隨著工業(yè)技術的發(fā)展，材料科學的研究與發(fā)展不再局限于如金屬、陶瓷、合金等均質材料，根據(jù)外部環(huán)境的不同可能對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完全不同的材料復合而成。例如:在航空航天技術領域里，高性能航天飛行器的耐熱覆層要求材料即能耐超高溫，又能承受巨大的內部溫差，均質材料無法承受航天飛行器往返大氣層時由于摩擦而產生的超高溫度，金屬與陶瓷的復合材料既能滿足耐熱性要求，也能滿足強度的要求，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合材料，界面處會產生無法承受的熱應力，從而導致材料的破壞。FGM連續(xù)改變組織、結構及空隙等要素，使材料內部界面消失并緩解熱應力，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的一種新型非均質復合材料。
1 FGM的熱應力理論分析
在FGM的制備及使用過程中將會產生溫度的變化，這將引起FGM中各組分不均勻的收縮或膨脹，從而產生很高的熱應力。掌握熱應力的分布規(guī)律是研究FGM在設計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力不僅是現(xiàn)階段FGM研究的一個熱門也是一個難題。
1.1 FGM組分分布模型與普通的復合材料不同的是，F(xiàn)GM材料的組分和孔隙等要素均按一個或兩個方向發(fā)生連續(xù)、平緩或階梯狀的變化，因此需建立一個方程將FGM材料組分與梯度變化方向聯(lián)系起來。
1.2物理參數(shù)模型在進行FGM熱應力計算以前，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)是由材料內部的微觀組織結構決定的“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力分析
目前解析法主要應用于線彈性條件下FGM殘余熱應力的計算，而對于彈塑性FGM的分析計算方法研究很少，對于非均質材料，要得到熱應力分布的精確解析解是不可能的，因為解析法局限性很大，僅僅限于解決一維問題。針對于FGM組成和熱應力分布的復雜性，采用有限單元分析方法來對殘余熱應力分布進行計算是較為可行的一種方法。
美國猶他大學教授根據(jù)經典彈性力學推導出了彈塑性條件下FGM殘余熱應力的解析計算表達式，并對Ni-A1203系列的FGM平板狀試樣的殘余熱應力進行了研究。結果表明:
�、佼擣GM組分梯度呈線性分布時殘余熱應力最小;當組分梯度呈凸狀分布時在陶瓷層產生的殘余應力為拉;反之，殘余應力為壓。②Ni和A1203系的熱膨脹系數(shù)和彈性模量隨溫度變化對殘余熱應力的影響很小。③對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力。
FGM熱應力的解析法分析雖然簡單易行，但是其計算精度比較低，采用有限元分析方法能夠對FGM殘余熱應力進行精確的分析。
李臻熙等通過對Ni-A1203系FGM制備過程中產生的殘余熱應力進行有限元分析，得到下面的.結論:
①在一定范圍內，殘余熱應力隨著FGM梯度層的厚度增大而減小;②FGM殘余熱應力在當其組分分布系數(shù)p=0.75時最小;③FGM起到了緩和NFGM的Ni-A120。界面附近的應力集中現(xiàn)象，應力分布較為均勻，各軸向應力和切向應力分量最大值均明顯降低。
3結語
針對目前對FGM熱應力研究狀況和發(fā)展的趨勢，還可進一步開展以下工作:①由于FGM的各項物性參數(shù)在沿著組分梯度方向發(fā)生的變化很大，且與微觀結構也有很重要的關系，應當建立更為精準的微觀結構模型來對FGM的物性參數(shù)進行計算，可以將模糊數(shù)學理論引入FGM物性參數(shù)的計算模型。②應當加強對熱力學理論及本構方程的研究和推導以完善FGM的組分分布模型與物理參數(shù)模型在理論推導方面的建立。③應展開對FGM多維非線性分析的理論及具體的試驗探究。
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