D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.02.080 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 金属陶瓷在高温下的变形规律 马向平王书义陈威骆清国 装甲兵工程学院机械工程系，北京100072 摘要论述隔热技术在军用装甲车辆上的应用意义，分析发动机燃烧室应用隔热技术存在的困难和关键问题·采用类比实 验的方法，应用金属半固态加工理论和材料属性的研究方法，通过对金属陶瓷（以TCN为例）进行热模拟实验，研究金属陶 瓷在高温下的变形规律和性能，从而探索性地研究陶瓷在高温下的破坏机理。实验和研究表明：基于经典弹塑性及蠕变理论 的本构方程，非弹性应变在高温下其本质上是时间相关的.非弹性变形是由一单一的机理控制，宜用统一的方法，即把塑性及 蠕变相联系起来的弹粘塑性本构方程来处理。根据热模拟实验数据，采用多元回归的方法拟合出反映某金属陶瓷在高温下变 形性能的数学模型，最后应用数理统计的方法对建立的数学模型进行检验，结果表明建立的模型是合理的. 关键词金属陶瓷：热模拟：本构方程：多元回归：发动机 分类号TG115.53:0344.1 未来装甲装备通用性总体技术包括：(1)减振、 统采用隔热技术实现低散热后，可以降低车辆动力 降噪、隔热技术；(2)电磁兼容技术；(3)人机一环系 舱的外表面温度，减弱车辆目标与其背景的红外辐 统工程技术；(4)可靠性技术，其中，隔热技术是装 射差别，有助于降低车辆目标被发现和被识别的 甲装备动力部分的一个热点研究方向，军用装甲车 概率 辆经历了几代演变，柴油机功率已成倍增长，而动力 由此可见，在坦克装甲车辆发动机上研究低散 舱容积基本未变，动力装置的散热问题已成为当前 热技术具有十分重要的军事意义和价值，但是，低 最突出的问题之一·柴油机散热量的增长速度，甚 散热技术在车辆发动机上应用的研究在我国历经了 至超过其功率的增长速度，在有限的动力舱空间 “七五”、“八五”、“九五”乃至“十五”计划，虽然取得 内，如何解决成倍增长的散热量，是十分艰巨的 了一定的研究成果，但发动机燃烧室隔热层的可靠 任务， 性问题一直制约了该项技术的发展，如何改善由于 因陶瓷材料具有高温强度好、低导热、密度小、 陶瓷脆性所带来的对加工和使用上的限制，就成为 弹性模量高以及摩擦性能好等特点，用陶瓷制造的 陶瓷材料在发动机上应用的关键，由于陶瓷与金属 发动机零件有金属零件无法比拟的效果，可以实现 在组织结构和物理化学性能方面存在不匹配的特 军用装甲车辆对发动机高紧凑、大功率、高可靠性、 点，因此金属与陶瓷的连接、金属陶瓷复合材料是 耐久性好、便于维修、燃料多样化等要求，军用特种 目前研究的热门领域之一. 车辆动力系统采用陶瓷等隔热部件实现低散热后， 发动机燃烧室中工作的零部件处于高温状态 可以解决排气温度高达800~900℃工况下动力舱 下，所用金属、陶瓷材料在高温下的物理和力学性能 温度升高、进气温度上升、排气系统隔热度降低、增 与室温下有较大差异，研究金属、陶瓷材料的高温强 压器做功减少、致使发动机功率下降等问题山，缓 度理论具有重要意义，然而与室温相比，高温下金 解由于发动机功率增大而产生的散热量剧增的矛 属、陶瓷材料强度问题复杂、研究历史较短，至今尚 盾，减小动力舱冷却系统的尺寸，简化冷却系统的结 存在许多有待解决的问题，目前，对于热障涂层的 构，为动力舱腾出空间（最多可节省40%空间）)， 研究主要集中在隔热性能、疲劳、热震性、可靠性等 并可减少或消除冷却系统的故障（据统计，冷却系统 方面的研究，但高温下陶瓷发生破碎及破碎前性能 的维护工作量约占发动机维护工作量的50%)，大 的研究在国内外极少报道， 大降低维护保养工作量.此外，由于在车辆动力系 本文对金属陶瓷材料TiC一xNi进行了研究，模 收稿日期：2006-09-05修回日期：2007-01-01 仿金属半固态加工的理论和材料属性的研究方法， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50275149) 通过对金属陶瓷进行热模拟实验，研究该金属陶瓷 作者简介：马向平(1973一)，男，博士研究生：王书义(1947-)，教 授 在高温下的变形规律和性能，从而探索性地研究陶金属陶瓷在高温下的变形规律 马向平 王书义 陈 威 骆清国 装甲兵工程学院机械工程系‚北京100072 摘 要 论述隔热技术在军用装甲车辆上的应用意义‚分析发动机燃烧室应用隔热技术存在的困难和关键问题．采用类比实 验的方法‚应用金属半固态加工理论和材料属性的研究方法‚通过对金属陶瓷（以 TiC－Ni 为例）进行热模拟实验‚研究金属陶 瓷在高温下的变形规律和性能‚从而探索性地研究陶瓷在高温下的破坏机理．实验和研究表明：基于经典弹塑性及蠕变理论 的本构方程‚非弹性应变在高温下其本质上是时间相关的．非弹性变形是由一单一的机理控制‚宜用统一的方法‚即把塑性及 蠕变相联系起来的弹粘塑性本构方程来处理．根据热模拟实验数据‚采用多元回归的方法拟合出反映某金属陶瓷在高温下变 形性能的数学模型‚最后应用数理统计的方法对建立的数学模型进行检验‚结果表明建立的模型是合理的． 关键词 金属陶瓷；热模拟；本构方程；多元回归；发动机 分类号 TG115∙53；O344∙1 收稿日期：20060905 修回日期：20070101 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50275149） 作者简介：马向平（1973－）‚男‚博士研究生；王书义（1947－）‚教 授 未来装甲装备通用性总体技术包括：（1）减振、 降噪、隔热技术；（2）电磁兼容技术；（3）人－机－环系 统工程技术；（4）可靠性技术．其中‚隔热技术是装 甲装备动力部分的一个热点研究方向．军用装甲车 辆经历了几代演变‚柴油机功率已成倍增长‚而动力 舱容积基本未变‚动力装置的散热问题已成为当前 最突出的问题之一．柴油机散热量的增长速度‚甚 至超过其功率的增长速度．在有限的动力舱空间 内‚如何解决成倍增长的散热量‚是十分艰巨的 任务． 因陶瓷材料具有高温强度好、低导热、密度小、 弹性模量高以及摩擦性能好等特点‚用陶瓷制造的 发动机零件有金属零件无法比拟的效果‚可以实现 军用装甲车辆对发动机高紧凑、大功率、高可靠性、 耐久性好、便于维修、燃料多样化等要求．军用特种 车辆动力系统采用陶瓷等隔热部件实现低散热后‚ 可以解决排气温度高达800～900℃工况下动力舱 温度升高、进气温度上升、排气系统隔热度降低、增 压器做功减少、致使发动机功率下降等问题［1］‚缓 解由于发动机功率增大而产生的散热量剧增的矛 盾‚减小动力舱冷却系统的尺寸‚简化冷却系统的结 构‚为动力舱腾出空间（最多可节省40％空间［1－2］ ）‚ 并可减少或消除冷却系统的故障（据统计‚冷却系统 的维护工作量约占发动机维护工作量的50％）‚大 大降低维护保养工作量．此外‚由于在车辆动力系 统采用隔热技术实现低散热后‚可以降低车辆动力 舱的外表面温度‚减弱车辆目标与其背景的红外辐 射差别‚有助于降低车辆目标被发现和被识别的 概率． 由此可见‚在坦克装甲车辆发动机上研究低散 热技术具有十分重要的军事意义和价值．但是‚低 散热技术在车辆发动机上应用的研究在我国历经了 “七五”、“八五”、“九五”乃至“十五”计划‚虽然取得 了一定的研究成果‚但发动机燃烧室隔热层的可靠 性问题一直制约了该项技术的发展．如何改善由于 陶瓷脆性所带来的对加工和使用上的限制‚就成为 陶瓷材料在发动机上应用的关键．由于陶瓷与金属 在组织结构和物理化学性能方面存在不匹配的特 点‚因此金属与陶瓷的连接、金属－陶瓷复合材料是 目前研究的热门领域之一． 发动机燃烧室中工作的零部件处于高温状态 下‚所用金属、陶瓷材料在高温下的物理和力学性能 与室温下有较大差异‚研究金属、陶瓷材料的高温强 度理论具有重要意义．然而与室温相比‚高温下金 属、陶瓷材料强度问题复杂、研究历史较短‚至今尚 存在许多有待解决的问题．目前‚对于热障涂层的 研究主要集中在隔热性能、疲劳、热震性、可靠性等 方面的研究‚但高温下陶瓷发生破碎及破碎前性能 的研究在国内外极少报道． 本文对金属陶瓷材料 TiC－xNi 进行了研究‚模 仿金属半固态加工的理论和材料属性的研究方法‚ 通过对金属陶瓷进行热模拟实验‚研究该金属陶瓷 在高温下的变形规律和性能‚从而探索性地研究陶 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．050