高温结构陶瓷材料温度相关性硬度间接测量的方法

技术领域

本发明涉及一种高温结构陶瓷材料温度相关性硬度的间接测量方法。

技术背景

高温结构陶瓷(High-temperature structure ceramics)是指能够在某种装置、设备或者结构中，能够用作结构材料并能够在高温条件下承受静态或者动态的机械负荷的陶瓷。高温结构陶瓷材料具有抗氧化性、高温耐腐蚀等性能优越的特点，其力学、热学性能良好，因此其应用性好。其中超高温陶瓷材料被广泛应用于航空航天的热防护材料体系，如高超音速导弹、高超音速飞行器等。

本专利申请中所述的硬度是指高温结构陶瓷材料在不同温度下的硬度。硬度是结构材料的重要力学参数，因此对材料在不同温度下的硬度进行表征是非常重要的，如何正确评价高温结构陶瓷材料在不同温度下的硬度是研究的基础。高温结构陶瓷材料应用环境多为高温环境，其高温下的硬度是衡量材料可靠性的重要参数，因此材料高温硬度研究尤为重要。

目前对于高温结构陶瓷材料的硬度研究已经有了部分成果，一些实验测量了高温结构陶瓷材料在室温至较高温度下的硬度。考虑到实验研究受制于费用等因素，且材料硬度在高温下的测量本身就比较困难，因此实验研究所达到的温度普遍达不到实际应用的环境温度。同时，目前对于高温结构陶瓷材料硬度的研究大部分偏向于实验研究，要实现高温结构陶瓷材料的全部潜力，需要对高温结构陶瓷材料更高温度下的硬度表征进行研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种高温结构陶瓷材料温度相关性硬度间接测量方法，它能预测在各温度下高温结构陶瓷材料的硬度。

本发明所需要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的：

一种高温结构陶瓷材料温度相关性硬度间接测量方法，其特征在于:依据测得的高温结构陶瓷材料弹性模量随温度变化的实验数据和参考温度下的材料硬度，建立不同温度下的材料硬度与弹性模量的数学模型式，计算不同温度下与高温结构陶瓷材料弹性模量相对应的材料硬度。

进一步，本发明所述的高温结构陶瓷材料温度相关性硬度间接测量方法，其特征在于，建立不同温度下材料温度相关性硬度与弹性模量的数学式模型的步骤包括建立材料不同温度下硬度与屈服强度的数学式模型、建立高温结构陶瓷材料发生屈服时包含热能做功与机械能做功的总能量的定量表达式和建立不同温度下与材料弹性模量相关的材料硬度数学式模型。

上述建立材料不同温度下硬度与屈服强度的数学式模型为

H(T)＝cσ

式中,H(T)为T温度下材料的硬度，σ

上述建立高温结构陶瓷材料发生屈服时包含热能做功与机械能做功的总能量的定量表达式为

式中W

上述建立不同温度下与材料弹性模量相关的材料硬度数学式模型为

式中,H(T

具体的说，本发明所述的高温结构陶瓷材料温度相关性硬度间接测量方法，其特征在于，建立不同温度下材料温度相关性硬度与弹性模量的数学式模型的步骤包括：

第一步、建立材料不同温度下硬度与屈服强度的数学式模型为

H(T)＝cσ

式中,H(T)为T温度下材料的硬度，σ

第二步、建立高温结构陶瓷材料发生屈服时包含热能做功与机械能做功的总能量的定量表达式为

式中W

第三步、建立不同温度下与材料弹性模量相关的材料硬度数学式模型为

式中,H(T

本发明所述高温结构陶瓷材料为WC陶瓷材料、Cr

本发明所述高温为不大于1200℃摄氏度的高温，优选100-1200℃；更优选300-800℃。本发明的技术效果：

本发明公开了一种高温结构陶瓷材料温度相关性硬度间接测量方法，该方法对高温结构陶瓷材料高温硬度试验测量的难点进行简化，从易获得的参数如材料的弹性模量、定压热容部分、熔化温度等出发，建立高温结构陶瓷材料温度相关性硬度数学式模型，计算高温结构陶瓷材料不同温度下弹性模量对应的材料硬度，预测结果与真实值较为接近。本发明依据测得的高温结构陶瓷材料弹性模量随温度变化的实验数据和参考温度下的硬度值，建立不同温度下材料硬度与弹性模量的数学式模型，计算高温结构陶瓷材料不同温度下弹性模量对应的材料硬度，避免了高温硬度实验带来的困难，实现了在现有的条件下用数学模型进行材料硬度的预测，基本实现在各温度下材料硬度的可靠预测。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为WC陶瓷材料的温度相关性硬度的曲线图以及实验测得的对应温度下的硬度值；

图2为Cr

图3为莫来石陶瓷材料的温度相关性硬度的曲线图以及实验测得的对应温度下的硬度值；

图4为Al

图5为B

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

本方法发明是：依据测得的高温结构陶瓷材料弹性模量随温度变化的实验数据和参考温度下的硬度，建立不同温度下材料硬度与弹性模量的数学式模型，计算不同温度下高温结构陶瓷材料弹性模量对应的材料硬度。

建立不同温度下的材料硬度与弹性模量的数学式模型步骤如下：

第一步、建立材料不同温度下硬度与屈服强度的数学模型式为

陶瓷材料的硬度通常由压痕作用下表面塑性变形的大小来表征

H＝cσ

H是材料的硬度，c是一个与温度无关的材料常数(不同材料的c取值不同)，σ

之后得到与温度相关的数学式模型

H(T)＝cσ

式中,H(T)为T温度下材料的硬度，σ

第二步、建立高温结构陶瓷材料发生屈服时包含热能做功与机械能做功的总能量的定量表达式为

式中W

第三步、建立高温结构陶瓷材料温度相关性硬度数学式模型

假设陶瓷材料在加载时，应力和应变符合线弹性关系，则陶瓷材料发生屈服时对应的应变能为

其中E(T)为陶瓷材料在T温度下的弹性模量，将式(2)代入得：

对应热能可表示为：

其中C

当温度达到材料熔点时，

W

式中T

由(3)、(7a)、(7b)式可得：

通过代入(5)、(6)式整理，得：

其中H(T

T温度下

式中，C

把式(7a)、(9)代入上式可得：

上式整理，可得到材料温度相关性硬度的数学式模型：

实施例1

利用高温结构陶瓷材料温度相关性硬度预测数学式模型(式(13))，以Cr

Cr

Cr

表1 Cr

Cr

表2 Cr

图1为Cr

实施例2

利用高温结构陶瓷材料温度相关性硬度数学式模型(式(13))，以WC为例，实施该材料在不同温度下弹性模量对应的硬度预测分析。

WC陶瓷材料的弹性模量通过下式获得：

WC陶瓷材料的熔点和定压热容可通过材料手册查得。

表3 WC的材料参数

WC材料在不同温度下的硬度的实测值通过利用Instron万能硬度计对材料进行的硬度测试得到(Invited Article:Indenter materials for high temperaturenanoindentation.https://doi.org/10.1063/1.4824710)，如表4所示。

表4 WC材料温度相关性硬度的实测值与数学模型式(13)计算值

图2为WC材料在不同温度下的硬度的模型预测值和实测值进行比对的图。我们可以从图中看出，材料硬度的预测值与实测值有很好的一致性。

实施例3

利用高温结构陶瓷材料温度相关性硬度数学式模型(式(13))，以莫来石为例，实施该材料在不同温度下弹性模量对应的硬度预测分析。

莫来石陶瓷材料的弹性模量通过实验获得。

莫来石陶瓷材料的熔点和定压热容可通过材料手册查得。

表5莫来石的材料参数

莫来石材料在不同温度下的硬度的实测值是William B等人通过高温硬度计测试实验所得(Microhardness of mullite at temperatures to 1000°.10.1111/j.1151-2916.1989.tb06316.x)，如表6所示。

表6莫来石材料在不同温度下硬度的实测值与数学模型式(13)计算值

图3为莫来石材料在不同温度下硬度的模型预测值和实测值进行比对的图。我们可以从图中看出，材料硬度的预测值与实测值有很好的一致性。

实施例4

利用高温结构陶瓷材料温度相关性硬度预测数学式模型(式(13))，以Al

Al

其中，

Al

表7 Al

Al

表8 Al

图4为Al

实施例5

利用高温结构陶瓷材料温度相关性硬度数学式模型(式(13))，以B

B

B

表9 B

B

表10 B

图5为B

从图1到图5可以看出，模型预测值与实测值吻合较好。这表明本方法对高温结构陶瓷材料在不同温度下的硬度的预测是可行的。