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簡(jiǎn)析功能梯度材料的熱應力分析及研究進(jìn)展論文
0引言
隨著(zhù)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(lèi)材料一般由兩種物理性質(zhì)完全不同的材料復合而成。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，又能承受巨大的內部溫差，均質(zhì)材料無(wú)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，金屬與陶瓷的復合材料既能滿(mǎn)足耐熱性要求，也能滿(mǎn)足強度的要求，然而二者的熱膨脹系數不同，若將金屬與陶瓷直接組合成一種復合材料，界面處會(huì )產(chǎn)生無(wú)法承受的熱應力，從而導致材料的破壞。FGM連續改變組織、結構及空隙等要素，使材料內部界面消失并緩解熱應力，得到性能呈連續平穩變化的一種新型非均質(zhì)復合材料。
1 FGM的熱應力理論分析
在FGM的制備及使用過(guò)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)生很高的熱應力。掌握熱應力的分布規律是研究FGM在設計和制備方面最基本的理論依據。因而，要深入地分析殘余熱應力不僅是現階段FGM研究的一個(gè)熱門(mén)也是一個(gè)難題。
1.1 FGM組分分布模型與普通的復合材料不同的是，FGM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、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(lái)。
1.2物理參數模型在進(jìn)行FGM熱應力計算以前，必須確定FGM材料的物性參數值，由于非均勻材料的物性參數是由材料內部的微觀(guān)組織結構決定的“混合律”推算得來(lái)的，依據混合律可半定量地確定不同組分混合料的物性參數值
2功能梯度材料熱的應力分析
目前解析法主要應用于線(xiàn)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(zhì)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(wèn)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(lái)對殘余熱應力分布進(jìn)行計算是較為可行的一種方法。
美國猶他大學(xué)教授根據經(jīng)典彈性力學(xué)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(jìn)行了研究。結果表明:
�、佼擣GM組分梯度呈線(xiàn)性分布時(shí)殘余熱應力最小;當組分梯度呈凸狀分布時(shí)在陶瓷層產(chǎn)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，增加材料梯度層數目可有效降低殘余熱應力。
FGM熱應力的解析法分析雖然簡(jiǎn)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(jìn)行精確的分析。
李臻熙等通過(guò)對Ni-A1203系FGM制備過(guò)程中產(chǎn)生的殘余熱應力進(jìn)行有限元分析，得到下面的結論:
�、僭谝欢ǚ秶鷥�，殘余熱應力隨著(zhù)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p=0.75時(shí)最小;③FGM起到了緩和NFGM的Ni-A120。界面附近的應力集中現象，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(yǔ)
針對目前對FGM熱應力研究狀況和發(fā)展的趨勢，還可進(jìn)一步開(kāi)展以下工作:①由于FGM的各項物性參數在沿著(zhù)組分梯度方向發(fā)生的變化很大，且與微觀(guān)結構也有很重要的關(guān)系，應當建立更為精準的微觀(guān)結構模型來(lái)對FGM的物性參數進(jìn)行計算，可以將模糊數學(xué)理論引入FGM物性參數的計算模型。②應當加強對熱力學(xué)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模型在理論推導方面的建立。③應展開(kāi)對FGM多維非線(xiàn)性分析的理論及具體的試驗探究。
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