热冲击下粘弹塑性材料中的微孔增长与空化研究

发布时间：2020-07-23 11:42

【摘要】：粘弹塑性材料中的微孔增长和空化问题研究,可为高温热冲击服役环境下金属材料和结构的损伤演化和寿命评估提供基础理论分析,并且可以从固体力学角度来分析材料微观孔洞萌生和演化规律,因此具有重要的学术研究价值。金属材料在高温热冲击下粘性效应更为显著,并且微孔的增长需要考虑时间演化过程。本文以高温镍基合金和铝合金为工程背景,基于热粘弹塑性理论,较为系统地研究了金属材料在热冲击下的微孔增长和空化问题。主要研究工作如下:1.对一系列高温镍基合金靶材实施了激光穿孔实验,证实了强热冲击下高温镍基合金材料中微孔萌生的可能性。实验观察到原始完好的高温合金材料在强激光热冲击作用下,会在热影响区产生出孤立的微米尺寸的球形孔洞和和密集的孔洞群,它为微孔增长和空化问题的理论研究提供了重要的实验依据。2.应用Laplace积分变换和数值逆变换方法,得到了粘塑性材料中微孔动态增长问题的半解析-半数值解,分析了惯性效应和热粘性效应对微孔增长的影响。3.考虑了初始的未屈服变形阶段以及屈服后变形的动界面效应。分别针对弹-粘塑性和粘-弹塑性两类固体材料中的微孔增长问题,基于Perzyna粘弹塑性本构理论,建立了分时段、分区域的数学模型,并且采用时空变量的直接积分方法,将问题在数学上归结为关于动界面位置函数满足的一阶非线性常微分方程,最后给出了微孔准静态增长问题的半解析-半数值解,并且揭示了对微孔演化的动界面带来的非线性效应影响。4.数值算例中选取高温镍基合金材料参数,讨论了变温、升温率、弹性粘性、塑性粘性、屈服应力等参数对应力和位移时空分布、动界面演化、微孔随时间动态增长的影响。结果表明:在较高变温和升温率的热冲击条件下,粘性会增强初始阶段和孔壁附近的应力集中,微孔增长响应的粘性效应会更加明显,同时起到了迟滞和阻尼作用。同时微孔增长的尺寸与热冲击变温载荷呈现出非线性依赖关系。5.研究了热冲击下粘弹-理想塑性材料中的热空化问题,给出了微孔萌生时的临界温度。在材料的未屈服区域考虑粘弹性小变形,并且引入对数应变在已屈服区域考虑理想塑性大变形,建立了具有动界面的数学模型,给出相应的半解析-半数值解,最后在微孔原始半径趋于零的极限状态下,以铝合金为例计算出了热空化的临界温度为其熔点温度的93%。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3
【图文】：

核电,微孔,微观损伤

１．１课题研究背景及研究意义逡逑１．１．１研究背景逡逑随着科技的发展，金属材料的性能也得到很人的改善，尽管如此，在逡逑极端环境中服役的固体材料仍然会由初期的微观损伤演变为破坏断裂，这逡逑些初期的微观损伤的成因在力学、冶金、材料等各学科上都有大量的文献逡逑研究。在核电、焊接、航空发动机点火等各种高温急剧变化的热环境中，逡逑对于每一次的热冲击，材料均会有不同程度的微观损伤形成，如微孔萌生、逡逑增长、贯穿、微裂隙等，在不断的循环热载荷下，损伤会进一步演化，最逡逑终导致宏观破坏。逡逑在核电领域，在高温压力环境中服役的钢材料在内部剧烈变换的热、逡逑力、化学等耦合复杂加载下，会在晶界、碳化物等位置处发生屈服变形，逡逑进而形成微孔，进一步的加载，微孔贯穿形成微裂纹如图１－１。逡逑

形貌,微孔,钛合金,焊接接头

逑的耦合效应导致广焊接成型后的材料内部，在其三叉形貌处中已经形成ｆ逡逑不同程度的微孔，如图１－２１－＇逡逑■Ｈ逡逑图１－２邋ＴＣ４钛合金试件焊接接头处的微孔缺陷ｎ逡逑对于常见的铝合金焊接构件，在经过不断的热循环加载条件下，也会在逡逑焊接区域或者焊接过程中的热影响Ｅ内的第二相粒子周围形成孔洞，并且逡逑已有文献证明这些孔洞是造成宏观机械性能下降以至断裂失效的主要原因。逡逑以５Ａ０６铝合金焊接接头为例，连续进行ｏ．３ｒｍ邋（ｒｍ为熔点温度６３０°Ｃ）邋士逡逑１０（ＴＣ，周期为９０分钟的热循环加载条件，在经历１００周期后，解剖试件逡逑出现断口的区域可以观察到微孔洞Ｗ，如图１－３。逡逑ｍ逡逑图１－３热循环加载后的断口组织形貌Ｗ逡逑另外，对于材料内部萌生微孔和微孔增长的一个重要的领域就是航空发逡逑动机用的镍合金材料。到目前为止，高温镍合金材料的发展经历了高温不逡逑锈钢合金、变形合金、铸造合金、定向凝固合金以及单晶合金等系列阶段。逡逑镍基高温合金作为高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金

形貌,热循环,形貌,加载

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