接近服役条件材料力学性能原位测试装置设计分析与试验研究

发布时间：2020-11-09 04:48

【摘要】：随着工业科技的迅猛发展,各个领域对材料服役条件下力学行为测试手段的需求越来越急切。通过模拟服役条件下材料的应力状态及周围物理场环境,从而进行力学性能测试,由此获得的材料力学性能参数将是材料先进制备成型加工、机械结构设计、电子信息通讯、航空航天等领域中材料应用的重要理论依据,此种测试手段具有重要意义,也将对社会和经济效益产生正面积极的作用。由于材料在服役过程中的工作环境较为复杂,不可避免地会受到多种外部机械载荷(如拉伸、扭转、弯曲等)的同时作用,且材料在不同外部载荷作用下会表现出截然不同的力学性能。同时,服役过程中材料也会受到热、电、磁等多外场耦合作用,这也会诱发材料力学性能发生改变,进而导致力学行为的变化。在实际工程应用中,开展接近服役条件下材料的力学性能测试试验是重要的质量保障手段。而现有材料力学试验机,如拉伸试验机、三点弯曲试验机等大部分都只能提供单一载荷测试功能,且无法对材料表面形貌特征进行原位监测,也不能施加热、电、磁等物理场。因此,传统的材料力学试验机已经不能满足当前材料测试领域对测试装置的需求。所以,能够开展复合载荷多物理场作用下材料力学性能进行原位(In-situ)测试的测试装置设计分析和试验研究成为本文研究的重点。本文面向材料服役性能测试领域的国家重大需求和国际发展动态,结合材料服役性能测试领域复合载荷多物理场力学性能测试技术的研究现状,设计提出了能够实现拉伸-悬臂弯曲-扭转复合载荷加载以及热、电、磁物理场同时加载的材料力学性能原位测试装置,并在测试装置功能设计分析,测试装置性能测试与分析,复合载荷加载轨迹规划,应力状态理论分析,形状改变比能理论分析和铜锌铝合金力学性能测试试验方面开展了系统工作。本文的主要研究工作如下:(1)基于多轴并联机构载荷施加及空间运动轨迹规划原理,提出了拉伸/压缩、扭转、悬臂弯曲多种载荷复合加载的材料力学性能测试新技术。所提出的测试技术实现了复合载荷的协同精密加载和控制,克服了串联式载荷施加方法对复合载荷测试精度的影响,依托空间位置控制方法,达到了较高的测试精度,丰富了复合载荷材料力学试测试方法;以风力发电机为例,分析了拉伸-扭转,拉伸-悬臂弯曲,扭转-悬臂弯曲,拉伸-扭转-悬臂弯曲复合载荷作用下材料所处的复合载荷应力状态;同时针对本文提出的复合载荷试验方法,推导了并联驱动加载单元的空间位置反解方程;进而对空间运动轨迹进行了规划,设计了两种空间加载轨迹:笛卡尔坐标系下的螺旋线轨迹和空间坐标系下的悬臂弯曲轨迹;(2)基于大幅值、多波形、非接触式的电场、磁场、热场加载原理,提出了电热磁多物理场耦合材料力学性能测试新技术。构建了接近材料实际服役工况下的多物理场环境,实现了相关试验参数的大量程、高精度、快速响应的控制与检测;采用大电流、非接触式辐射、电磁线圈实现热电磁多物理场加载,解决了多物理场加载时的空间干涉问题,最终实现多物理场的结构设计和协同精密加载;针对多物理场加载单元进行功能扩展,物理场可以实现波形加载;(3)提出了采用数字图像相关及光学显微成像相结合的材料力学行为与变形损伤的动态原位监测技术。结合空间圆柱坐标系内定位方法和多线程、高精度的定量/持续运动控制,实现了大范围、长焦距、径向可调的全场原位监测结果的高精度采集;结合数字图像相关技术实现了复合载荷试验条件下的三维非接触式应变测量,属于应变的非接触式直接测量,减少应变间接测量方式带来的繁琐误差修正工作;提出了多种功能模块在空间圆柱坐标系内定位方法,可实现试件全表面的原位监测,在同一次试验中可以观测试件表面不同区域的形貌变化;(4)在上述工作的基础上,研制开发了复合载荷多物理场材料力学性能原位测试装置;针对接近材料服役状态下的拉伸、扭转、悬臂弯曲复合载荷应力状态,结合两种理论开展了相应的理论分析工作,进而得到了材料在复合载荷应力状态下材料力学性能理论变化规律。针对铜锌铝合金(Cu-Zn-Al)开展复合载荷多物理场下的力学性能原位测试试验,试验结果规律与理论分析得出的材料力学性能变化规律相吻合,理论分析与试验结果得到了良好的相互验证。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH87
【图文】：

第 1 章 绪 论1.1 引言从古至今，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，并且在整个人类的发展历史长河中扮演着不可替代的角色。进入 21 世纪，材料作为众多高新技术产业的支撑与先导，与信息、能源一道成为当代文明的三大支柱。各种新型材料[1-18]如雨后春笋般涌现于各个应用领域，图 1.1 所示是近年来获得学术界高度关注的部分新型材料。

图 1.1 近年来学术界高度关注的部分新型材料[1-18]值得注意的是，任何材料在服役过程中，都不可避免地受到外部载荷作用现形变、损伤和破坏，这类问题在实际生产生活中不胜枚举。尤其在一些的应用场合，材料的失效将会带来巨大的经济损失。例如：美国每年 119经济损失就是因为材料断裂；英国因腐蚀疲劳失效使得海上开采石油产业%；我国同样每年因此蒙受 4900 亿人民币的经济损失。上述情况发生的材由于材料内部在微观尺度下已经出现了微观损伤破坏，如微裂纹等，如图进而在接下来的服役状态下不能承受与预期匹配的应力状态，使得微观缺连接（聚合），最终形成宏观裂纹。

图 1.3 材料科学与工程四要素常表现为材料的强度指标、刚度指标、硬切模量、抗拉强度、抗剪强度等参数。这验测定的，每一种试验都需要通过相应的概要如表 1.1 所示，具体详细理论计算公表 1.1 常规力学性能测试方法概要测试原理简图 理论计算依据 胡克定律胡克定律
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本文编号：2875913