高静水压下强空化致金属材料失效的研究

发布时间：2020-10-14 14:10

　　 研究背景液体中多泡空化产生的极端条件是超声众多应用(如声化学)的物理基础。尽管有关单泡空化的理论和实验研究已很成熟,但由于多泡动力学及其溃灭机制十分复杂,借助数值模拟或实验手段描述多泡空化面临巨大的挑战。有研究者采用HYADES爆炸流体动力学程序将空化泡群模拟成球对称空化泡并算得30 MPa静水压力下空化泡崩溃产生的中心压力和温度分别可达4,400 GPa和200,000 K,比20 MPa下高出一个数量级,证明高静水压有利于强空化的实现,但仍无法解释高静水压下多泡空化过程的复杂物理机制。前期研究发现10 MPa静水压下的强空化可使直径0.2 mm的钨丝(熔点3410℃,屈服强度1GPa)在0.1 s内断裂,此发现提示一种新的材料失效形式,有望提供一种新的材料制备及表征方法,同时为通过材料失效反演研究高静水压下多泡空化的物理机制提供一种途径,值得进一步研究。目的通过研究不同静水压力和驱动功率下聚焦声场中焦点区域的声空化导致钨丝断裂的过程及断口形貌特征明确钨丝断裂的微观机制。对比不同熔点、硬度金属材料在10 MPa静水压力、2 k W驱动功率下的空化损伤情况,以期反演推测空化泡群崩溃产生的极端条件。方法1.不同静水压力和驱动功率下声空化致钨丝断裂的研究分别通过激光共聚焦显微镜(Confocal Scanning Laser Microscope,CSLM)和电子背向散射衍射(Electron Back Scattered Diffraction,EBSD)技术观察直径0.2 mm钨丝侧面、轧面的显微组织结构及晶粒取向,明确钨丝的内部微观结构特征,通过拉伸试验、剪切试验和拉-拉疲劳试验研究钨丝在常温、常压下的力学性能。在氧容量0.8 mg/L的介质水中,采用频率0.6 MHz、内径500 mm、孔径高度474 mm的两端开口的球形腔换能器,在不同的静水压力(0.1MPa、5 MPa、10 MPa)和驱动功率(0.5 k W、1 k W、2 k W)下,使用数码相机和电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices,EMCCD)分别观察聚焦声场中的多泡分布和多泡声致发光(Multi-bubble Sonoluminescence,MBSL),并利用多泡声致发光的光强度表征空化强度。通过高速摄像系统记录焦点区域直径0.2 mm钨丝发生断裂的过程,探究钨丝断裂时间与空化强度之间的关系;在每组钨丝平均断裂时间范围内按照一定的时间间隔分别选择三个时间点(5 MPa,1 k W:1s,2 s,3 s;10 MPa,1 k W:0.1 s,0.3 s,0.5 s;10 MPa,2 k W:0.05 s,0.1 s,0.15 s)对钨丝进行空蚀处理。从宏观和微观的角度对比分析四类钨丝断口的形貌特征,并结合不同断裂阶段钨丝表面损伤微观形貌变化阐释钨丝在声空化作用下断裂的微观机制。2.不同熔点、硬度的铝、铜、镍在强空化作用下的损伤情况采用铝、铜、镍三种不同熔点的金属作为实验对象,通过热处理工艺制备不同硬度的铜片和镍片,并对其进行表面磨抛处理。本章采用的换能器和脱气水参数与第一章相同。在10 MPa静水压力和2 k W驱动功率下,通过高速摄像系统记录超声辐照1 s期间三种金属表面的空化损伤过程。选择硬度相近的铜和镍在相同的空化条件下分别处理0.5 s、1 s、2s,借助CSLM测量空蚀坑的直径和深度,分析金属材料的熔点、硬度及超声辐照时间对空化损伤程度的影响。在场发射扫描电子显微镜(Field Emission Scanning Electron Microscope,FESEM)下观察铝、铜、镍表面凹坑的微观形貌,推测10 MPa静水压力、2 k W驱动功率下空化泡群崩溃产生的有效瞬态温度。结果1.常温、常压下钨丝的断裂研究金相检测结果表明钨丝由长而窄的纤维组成,EBSD显示钨丝内部晶粒存在明显的丝织构现象。直径0.2 mm钨丝的平均屈服强度、抗拉强度和剪切强度分别约为1280 MPa、2625 MPa、1584 MPa。钨丝的拉-拉疲劳寿命大于106,属于高应力高周疲劳。断口分析结果表明,钨丝的拉伸与剪切断裂属于穿晶解理断裂,疲劳断口存在典型的三区结构,即疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。2.不同静水压力和驱动功率下声空化致钨丝断裂的研究当驱动功率一定时,随着静水压力的增加,空化泡群的活动范围逐渐减小,多泡声致发光的强度逐渐增加;当静水压力一定时,随着驱动功率的增加,空化泡群的活动范围略有增加,驱动功率对提高发光强度的贡献小于静水压力。10 MPa静水压力、2 k W驱动功率下的瞬态空化可使钨丝在0.1 s内发生断裂,且静水压力/驱动功率越高,钨丝的断裂时间越短。钨丝在超声空化作用下产生的断口存在明显的分层现象,按照裂纹的扩展方向,大致分为三个区域:纤维劈裂区、混合断裂区及拉伸断裂区。断裂时间不同的钨丝断口形貌各异,断裂时间越短,纤维劈裂区占比越大。值得注意的是,10 MPa静水压下,钨丝的束状纤维断面形似“球”形或“花”状,存在软化现象。不同断裂阶段钨丝表面损伤的微观形貌变化提示随着静水压力/驱动功率的提高,损伤范围逐渐减小,损伤速度逐渐加快。超声辐照时间越长,损伤区域两端纤维越多,损伤区域中部侵蚀程度越严重。3.不同熔点、硬度的铝、铜、镍在强空化作用下的损伤情况不同熔点、硬度的铝、铜、镍在10 MPa静水压力和2 k W驱动功率下的空化损伤结果显示:铜和镍表面蚀坑的径深比分别为2.2~3.2和1.7~2.6;同一金属,超声辐照时间越长,空蚀坑的深度越大,铜、镍表面凹坑深度与辐照时间的拟合直线基本平行;同种金属,坑深随硬度的增加而减小;相似硬度的不同金属,熔点越低,坑深越大。此外,在扫描电子显微镜下观察三种金属的损伤区域均由大小不等的“杯状”微坑构成,晶粒表面存在明显的熔融现象,熔融深度及程度随金属熔点的增加而降低。结论随着静水压力和驱动功率的增加,焦点区域的空化强度逐渐增强。钨丝的断裂时间与空化强度成反比。钨丝断裂的可能机制:空化泡非球形坍缩形成指向钨丝表面的微射流,导致钨丝表面撕裂;裂纹沿钨丝径向与轴向同时扩展,空化强度越高,裂纹越趋于径向扩展(即穿晶断裂),轴向裂纹扩展路径越短(主要为晶间断裂)。此外,金属材料的空蚀程度与其熔点、硬度成反比,与超声辐照时间呈线性正相关,推测10 MPa、2 k W下强空化产生的有效瞬态温度高于1453℃。
【学位单位】：重庆医科大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB55;TG111
【部分图文】：

重庆医科大学硕士研究生学位论文照一定的时间间隔在每组钨丝的平均断裂时间范围内分别选择三个时间点（Pa, 1 kW: 1 s, 2 s, 3 s; 10 MPa, 1 kW: 0.1 s, 0.3 s, 0.5 s; 10 MPa, 2 kW: 0.05 s, 0.1.15 s）对钨丝进行空蚀处理；（8）实验结束，收集失效钨丝样品，为防止样品污染和氧化，所有样品的部位表面均涂覆醋酸纤维质量分数为 7% ~ 8%的丙酮溶液，置于干燥器中保存直接浸于无水酒精中保存。

图 1.2 钨丝的(a)侧面与(b)截面显微组织，以及(c)纤维宽度分布Fig. 1.2 The profile (a), section (b) microstructure and (c) width distribution oftungsten wire fibers图 1.3 所示为钨丝的侧面及截面的 EBSD 取向成像图，从图 1.3(a)可以看到，钨丝纤维内部的条形胞彼此平行，纤维界锯齿化明显。图 1.3(a)中基体取向差较大的再结晶晶粒在图 1.3(b)中晶向仍与丝轴平行或接近，存在明显的丝织构特征。

图 1.2 钨丝的(a)侧面与(b)截面显微组织，以及(c)纤维宽度分布ig. 1.2 The profile (a), section (b) microstructure and (c) width distributiontungsten wire fibers1.3 所示为钨丝的侧面及截面的 EBSD 取向成像图，从图 1.3(a)可内部的条形胞彼此平行，纤维界锯齿化明显。图 1.3(a)中基体取晶粒在图 1.3(b)中晶向仍与丝轴平行或接近，存在明显的丝织构
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本文编号：2840769