【摘要】：工程材料广泛应用于建筑工程、航空航天、交通运输、机械制造、能源化工等领域,均涉及到材料在高温与超高温(HTUHT)环境下的服役,弹性模量是重要的力学性能参数之一,准确地测试评价工程材料的HTUHT弹性模量对高温材料的研制、高温构件的经济合理设计与安全服役至关重要。然而,在材料HTUHT弹性模量测试技术研究领域,仍存在一些亟待解决的问题,例如:尚未建立块体材料、厚壁管材与涂层材料HTUHT弹性模量的测试评价技术。本文基于相对法技术和材料力学理论,针对以上三种材料制品形式,提出了HTUHT弹性模量测试方法,并基于此研究了一些典型工程材料弹性模量—温度的演变规律及其变化机制。首先,本文利用相对法技术实现了块体材料HTUHT变形的准确测量,继而实现了块体材料HTUHT模量的测试评价。i)结合三点弯曲试验与四点弯曲试验,提出了相对三点弯曲法与相对四点弯曲法(统称为挠度修正法),即将去除下支承辊的梁试样作为参比试样,利用参比试样的横梁位移增量扣除试验机的系统误差,然后通过弯曲试样与参比试样的横梁位移间接测得梁试样的真实挠度变形,代入所推导的计算公式可得梁试样的HTUHT弹性模量。氧化铝陶瓷室温~1300°C弹性模量测试结果表明,脉冲激励技术(IET)与挠度修正法测得的弹性模量—温度变化曲线基本一致;且IET测试结果较挠度修正法测试结果略大(符合文献报道),由此证明了挠度修正法的正确性与可靠性。利用相对三点弯曲法对C/C复合材料室温~1700°C弹性模量的演变规律进行了研究,表明了相对三点弯曲法的易行性与有效性。ii)结合压缩试验,提出了相对压缩法,通过高温压缩试验与高温参比试验的横梁位移增量间接测得块体试样的高温压缩变形,继而可得其高温压缩模量。室温下利用电感量仪测得的多孔刚玉—莫来石质耐火材料压缩模量与相对压缩法的测试结果相近,二者仅相差2.57%,由此证明了相对压缩法的正确性与可靠性。继而利用了相对压缩法测得了多孔刚玉—莫来石质耐火材料室温~1300°C压缩模量。其次,针对厚壁管材HTUHT弹性模量的测试技术难题,本文将径向力与切向力对管材试样变形能的影响考虑在内,基于曲杆分析法,提出了适用范围更广的广义缺口环法与广义闭口环法。分别利用三点弯曲法、缺口环法与广义缺口环法、闭口环法与广义闭口环法测得了同一批次石英玻璃梁试样与管材试样的弹性模量与弯曲强度,测试结果表明:i)对于缺口环压缩试验,测试弹性模量时,在r/R0.55(r为内半径,R为外半径)的范围内,缺口环法与广义缺口环法测得的模量值相近;而当r/R≤0.55,须利用广义缺口环法的测试环试样的弹性模量;测试弯曲强度时,当r/R≤0.75,广义缺口环法测得的弯曲强度更加准确(与三点弯曲法测试结果更相近)。ii)闭口环压缩试验测试弹性模量时,当r/R≤0.75,广义闭口环法的模量测试值更准确;测试弯曲强度时,当r/R≤0.70,广义闭口环法测试结果更准确。利用广义缺口环法、广义闭口环法、三点弯曲法分别测得了水泥砂浆梁试样与管材试样室温弹性模量与弯曲强度,试验结果表明三者测试结果相近,由此证明了广义缺口环法与广义闭口环法测试管材试样力学性能的准确性与可靠性。进一步结合了相对法技术,提出广义缺口环相对法与广义闭口环相对法,实现了管材HTUHT弹性模量测量。试验测得了水泥砂浆环试样-70~800°C弹性模量、石英玻璃室温~1200°C弹性模量与石墨环试样室温~2100°C弹性模量,测试结果表明了广义缺口环相对法、广义闭口环相对法测试管材HTUHT弹性模量的正确性与良好的可操作性。最后,提出了分别适用于梁试样表面(单面、双面)涂层与管材表面(外侧、内侧、两侧)涂层HTUHT弹性模量测试评价的三点弯二次相对法与缺口环二次相对法。分别利用三点弯二次相对法与缺口环二次相对法测得了石墨基体梁/环试样表面化学气相沉积碳化硅(CVD-SiC)涂层室温~2100°C弹性模量,二种测试方法测得的CVD-SiC涂层模量值相近,二者互相证明了二次相对法测试涂层HTUHT弹性模量的正确性与有效性。室温下利用电感量仪与二次相对法测得的涂层弹性模量相近,由此也证明了二次相对法的正确性与可靠性。本文提出的二次相对法原位(涂层粘结于基体)测得的涂层模量是涂层真实、整体的弹性模量,是根据材料的宏观力学响应参数测得的,不同于压痕法测得的局部模量和剥离后涂层的弹性模量;且测试精度取决于试验机横梁位移,不受测试环境温度的限制,可应用于HTUHT环境条件下。试验测得了8YSZ热障涂层室温~800°C弹性模量、CVD-SiC涂层室温~2100°C弹性模量,并对其模量—温度演化规律及变化机制进行了研究分析。此外,针对管材三种涂层结构形式,提出了管材涂层弯曲强度的测试方法,即缺口环法测试外侧涂层弯曲强度;闭口环法测试内侧涂层弯曲强度;缺口环法/闭口环法测试两侧涂层弯曲强度。利用三点弯曲法结合相对法技术对石墨基体梁试样表面CVD-SiC涂层的弯曲强度进行测试,同时利用本研究所提出的方法测得了石墨基体环试样表面同种CVD-SiC涂层的弯曲强度。试验测得的管材涂层弯曲强度与梁试样表面涂层弯曲强度基本相近,由此即可证明管材涂层弯曲强度测试方法的正确性与可靠性。
【学位授予单位】：中国建筑材料科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30
【参考文献】
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