复杂工况材料力学性能原位测试装备设计与试验研究
发布时间：2021-11-23 13:59
服役状态下的机械零部件通常受到多种工况的同时作用。传统的拉伸、弯曲、扭转等单一工况材料力学性能测试技术手段已难以满足力学性能分析需求,制约了材料研发工艺的改进及装备的优化设计制造。与此同时,利用显微成像技术实现动态监测材料变形损伤的原位测试技术应运而生,为研究材料力学性能提供了崭新的方法。针对复杂工况下材料损伤机理和力学行为规律的研究需求,研制复杂工况材料力学性能测试装备,已成为国际学术界和工程界关注的焦点。在综述分析相关领域国内外现状的基础上,论文开展了拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕复杂工况材料力学性能原位测试装备的设计分析。全文搭建了以试验需求为目标的设计架构,以试验理论、结构设计、误差分析与精度校准和试验验证为主线的研究体系,完成了复杂工况材料力学性能的原位试验研究。论文的主要研究内容概括如下:（1）开展了力学性能试验与装备校准理论研究。综述了应用于复杂工况力学性能分析和测试装备校准相关的拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕工况试验的基本理论;并在此基础上提出了基于细观力学和原位监测技术的纳米压痕表征材料本构关系的研究方法。总结了工程材料在复杂工况下损伤理论和应力状态分析理论;并且为复杂工况应...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
复杂工况下材料损伤失效实例[5]
第1章绪论3发展到多工况力学性能测试试验机（万能试验机，但工况仍处于单一加载状态）。同时，材料力学性能测试技术由宏观力学性能测试的试验机产品发展到微观力学性能测试的纳米压痕测试装备。随着人们对材料服役工况的认识和复杂工况测试理论的深入，为了更加准确地获得材料的力学性能，就需要开展复杂工况下力学性能试验研究。随着科技的发展，具有实际工程意义的复杂工况下材料力学性能测试显得愈加重要。对于根据测试工况需求和测试理论需求开发力学性能测试装置的需求也日渐突出。同时，原位测试技术及相关理论在发展的过程中不断能够满足各类测试场景的实时监测与分析，图1.2是力学性能测试技术的发展趋势。因此，对于集成原位力学性能分析的复杂工况力学性能测试装备的需求日趋强烈。图1.2材料力学性能测试技术发展趋势在试验机领域，复杂工况是指多场耦合加载的服役工况，包括复杂机械载荷的加载与多物理场的加载。侠义角度来讲，两种或两种以上载荷的复合加载形式属于复杂工况的范畴。本文主要研究典型机械载荷的复杂工况形式，包括拉伸载荷、扭转载荷、弯曲载荷和纳米压痕载荷的两两组合加载。1.2.1单一工况力学性能测试技术的国内外现状单一工况力学性能测试是常规单一载荷下材料力学性能的测试形式。单一工况力学曲线和力学参数是衡量测试装置精度的可靠指标。单一工况力学性能测试理论
得了6061铝合金和7075铝合金的本构关系函数，并指出了压痕深度和压痕测试区域是影响材料性能分析的主要因素。对于大的压痕深度，基底的影响比较明显。从细观力学的角度讲，对于金相组织均匀的工程材料，大的压痕深度可以反应材料整体的力学性能；小的压痕深度，代表金相组织的力学性能[31]。2006年，湘潭大学的黄勇力[32]采用纳米压痕法表征应力-应变关系的理论分析了薄膜基底的本构关系。试验过程所使用的是Hysitron公司的TriboIndenter材料微纳米力学测试系统，整套设备占用较大空间，不利于其他工况模块的集成。图1.3TriboIndenter材料微纳米力学测试系统[32]2007年，AntunesJ等[33]学者也借助于有限元分析法利用反演分析计算了冲压优质钢（DC06），不锈钢AISI304钢和BK7玻璃的应力-应变函数。并对分析算法进行了系统分析。2016年，ChengG等[34]学者利用纳米压痕法定量研究回火工艺对DP980钢单相性能的影响。2017年，DamasoM等[35]学者利用优化的反演分析法计算了S355结构钢焊接板材材料的本构关系曲线，并且屈服强度和应变硬化指数的计
【参考文献】：
期刊论文
[1]冷金属过渡加脉冲电弧增材制造4043铝合金薄壁件的组织与拉伸性能[J]. 蒋旗,张培磊,刘志强,于治水,史海川. 机械工程材料. 2020(01)
[2]两相区变形对TC17钛合金组织及拉伸性能的影响[J]. 王丹,赵兴东,徐建伟,曾卫东. 热加工工艺. 2020(06)
[3]提高CQ级镀锌钢带弯曲性能的研究[J]. 杜秀珍,张健. 河北冶金. 2019(10)
[4]应变率和应力三轴度对Q345B钢动态力学性能的影响研究[J]. 孟利平,程远征,张伦平,王海坤,汪俊,刘建湖. 船舶力学. 2019(10)
[5]AZ31镁合金棒材循环扭转变形及其对力学性能的影响[J]. 宋广胜,纪开盛,张士宏. 材料工程. 2019(09)
[6]金属材料洛氏硬度与抗拉强度的相关关系[J]. 吴芳堤,曹晶晶. 理化检验(物理分册). 2019(05)
[7]应力三轴度和罗德参数对铝合金韧性断裂的影响（英文）[J]. 刘立熙,郑清丽,朱健,李志强. 稀有金属材料与工程. 2019(02)
[8]三点弯曲法测定槟榔干果纤维层弹性模量研究[J]. 康效宁,李梁,吉建邦. 食品与机械. 2018(10)
[9]基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型[J]. 王开德,张欣,韩凯凯,王洪乐. 机床与液压. 2018(17)
[10]纳米压痕表征技术的应用与发展[J]. 陈今龙,周素洪,叶兵,蒋海燕,丁文江. 热加工工艺. 2018(16)
博士论文
[1]DP钢组织与力学性能的差异及其对成形的影响[D]. 孔政.北京科技大学 2018
[2]拉伸弯曲复合载荷材料力学性能原位测试装置设计分析与试验研究[D]. 李海连.吉林大学 2018
[3]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[D]. 李柠.吉林大学 2017
[4]拉伸—弯曲预载荷下纳米压痕装置设计分析与试验研究[D]. 崔利娜.吉林大学 2016
[5]压痕/划痕测试若干理论与基于自制仪器的试验研究[D]. 黄虎.吉林大学 2014
[6]基于纳米压痕技术的涂层残余应力研究[D]. 朱丽娜.中国地质大学（北京） 2013
[7]航空铝合金缺陷及应力脉冲涡流无损检测研究[D]. 周德强.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]等径角轧制6016铝合金板材的组织及力学性能研究[D]. 邱群.湖南科技大学 2017
[2]材料扭转力学性能测试装置设计分析与试验[D]. 刘先华.吉林大学 2017
[3]温度与加载速度对FRP与钢板界面力学性能的影响[D]. 姚明侠.湖南大学 2016
[4]拉伸—剪切复合载荷原位力学测试装置设计分析与试验研究[D]. 高景.吉林大学 2015
[5]原位微纳米压痕测试装置设计分析与试验研究[D]. 张永利.吉林大学 2015
[6]型钢混凝土构件复合受扭性能及设计方法研究[D]. 刘宝兴.苏州科技学院 2014
[7]基于纳米压痕和有限元仿真的TSV-Cu力学性能分析[D]. 项敏.北京工业大学 2014
[8]微观力学性能原位剪切测试装置的设计与试验研究[D]. 白美林.吉林大学 2014
[9]可原位观测拉扭复合试验机的设计及动静态分析[D]. 张攀峰.吉林大学 2014
[10]中低频材料微观力学性能原位拉伸测试仪设计与试验研究[D]. 李秦超.吉林大学 2012
本文编号：3514026
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
复杂工况下材料损伤失效实例[5]
第1章绪论3发展到多工况力学性能测试试验机（万能试验机，但工况仍处于单一加载状态）。同时，材料力学性能测试技术由宏观力学性能测试的试验机产品发展到微观力学性能测试的纳米压痕测试装备。随着人们对材料服役工况的认识和复杂工况测试理论的深入，为了更加准确地获得材料的力学性能，就需要开展复杂工况下力学性能试验研究。随着科技的发展，具有实际工程意义的复杂工况下材料力学性能测试显得愈加重要。对于根据测试工况需求和测试理论需求开发力学性能测试装置的需求也日渐突出。同时，原位测试技术及相关理论在发展的过程中不断能够满足各类测试场景的实时监测与分析，图1.2是力学性能测试技术的发展趋势。因此，对于集成原位力学性能分析的复杂工况力学性能测试装备的需求日趋强烈。图1.2材料力学性能测试技术发展趋势在试验机领域，复杂工况是指多场耦合加载的服役工况，包括复杂机械载荷的加载与多物理场的加载。侠义角度来讲，两种或两种以上载荷的复合加载形式属于复杂工况的范畴。本文主要研究典型机械载荷的复杂工况形式，包括拉伸载荷、扭转载荷、弯曲载荷和纳米压痕载荷的两两组合加载。1.2.1单一工况力学性能测试技术的国内外现状单一工况力学性能测试是常规单一载荷下材料力学性能的测试形式。单一工况力学曲线和力学参数是衡量测试装置精度的可靠指标。单一工况力学性能测试理论
得了6061铝合金和7075铝合金的本构关系函数，并指出了压痕深度和压痕测试区域是影响材料性能分析的主要因素。对于大的压痕深度，基底的影响比较明显。从细观力学的角度讲，对于金相组织均匀的工程材料，大的压痕深度可以反应材料整体的力学性能；小的压痕深度，代表金相组织的力学性能[31]。2006年，湘潭大学的黄勇力[32]采用纳米压痕法表征应力-应变关系的理论分析了薄膜基底的本构关系。试验过程所使用的是Hysitron公司的TriboIndenter材料微纳米力学测试系统，整套设备占用较大空间，不利于其他工况模块的集成。图1.3TriboIndenter材料微纳米力学测试系统[32]2007年，AntunesJ等[33]学者也借助于有限元分析法利用反演分析计算了冲压优质钢（DC06），不锈钢AISI304钢和BK7玻璃的应力-应变函数。并对分析算法进行了系统分析。2016年，ChengG等[34]学者利用纳米压痕法定量研究回火工艺对DP980钢单相性能的影响。2017年，DamasoM等[35]学者利用优化的反演分析法计算了S355结构钢焊接板材材料的本构关系曲线，并且屈服强度和应变硬化指数的计
【参考文献】：
期刊论文
[1]冷金属过渡加脉冲电弧增材制造4043铝合金薄壁件的组织与拉伸性能[J]. 蒋旗,张培磊,刘志强,于治水,史海川. 机械工程材料. 2020(01)
[2]两相区变形对TC17钛合金组织及拉伸性能的影响[J]. 王丹,赵兴东,徐建伟,曾卫东. 热加工工艺. 2020(06)
[3]提高CQ级镀锌钢带弯曲性能的研究[J]. 杜秀珍,张健. 河北冶金. 2019(10)
[4]应变率和应力三轴度对Q345B钢动态力学性能的影响研究[J]. 孟利平,程远征,张伦平,王海坤,汪俊,刘建湖. 船舶力学. 2019(10)
[5]AZ31镁合金棒材循环扭转变形及其对力学性能的影响[J]. 宋广胜,纪开盛,张士宏. 材料工程. 2019(09)
[6]金属材料洛氏硬度与抗拉强度的相关关系[J]. 吴芳堤,曹晶晶. 理化检验(物理分册). 2019(05)
[7]应力三轴度和罗德参数对铝合金韧性断裂的影响（英文）[J]. 刘立熙,郑清丽,朱健,李志强. 稀有金属材料与工程. 2019(02)
[8]三点弯曲法测定槟榔干果纤维层弹性模量研究[J]. 康效宁,李梁,吉建邦. 食品与机械. 2018(10)
[9]基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型[J]. 王开德,张欣,韩凯凯,王洪乐. 机床与液压. 2018(17)
[10]纳米压痕表征技术的应用与发展[J]. 陈今龙,周素洪,叶兵,蒋海燕,丁文江. 热加工工艺. 2018(16)
博士论文
[1]DP钢组织与力学性能的差异及其对成形的影响[D]. 孔政.北京科技大学 2018
[2]拉伸弯曲复合载荷材料力学性能原位测试装置设计分析与试验研究[D]. 李海连.吉林大学 2018
[3]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[D]. 李柠.吉林大学 2017
[4]拉伸—弯曲预载荷下纳米压痕装置设计分析与试验研究[D]. 崔利娜.吉林大学 2016
[5]压痕/划痕测试若干理论与基于自制仪器的试验研究[D]. 黄虎.吉林大学 2014
[6]基于纳米压痕技术的涂层残余应力研究[D]. 朱丽娜.中国地质大学（北京） 2013
[7]航空铝合金缺陷及应力脉冲涡流无损检测研究[D]. 周德强.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]等径角轧制6016铝合金板材的组织及力学性能研究[D]. 邱群.湖南科技大学 2017
[2]材料扭转力学性能测试装置设计分析与试验[D]. 刘先华.吉林大学 2017
[3]温度与加载速度对FRP与钢板界面力学性能的影响[D]. 姚明侠.湖南大学 2016
[4]拉伸—剪切复合载荷原位力学测试装置设计分析与试验研究[D]. 高景.吉林大学 2015
[5]原位微纳米压痕测试装置设计分析与试验研究[D]. 张永利.吉林大学 2015
[6]型钢混凝土构件复合受扭性能及设计方法研究[D]. 刘宝兴.苏州科技学院 2014
[7]基于纳米压痕和有限元仿真的TSV-Cu力学性能分析[D]. 项敏.北京工业大学 2014
[8]微观力学性能原位剪切测试装置的设计与试验研究[D]. 白美林.吉林大学 2014
[9]可原位观测拉扭复合试验机的设计及动静态分析[D]. 张攀峰.吉林大学 2014
[10]中低频材料微观力学性能原位拉伸测试仪设计与试验研究[D]. 李秦超.吉林大学 2012
本文编号：3514026
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