高温复杂环境下材料力学行为的理论与试验研究

发布时间：2018-02-01 06:10

本文关键词： 高温弹性模量强度热冲击测试　出处：《重庆大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：金属材料(包括高温合金和难熔合金)和陶瓷材料是高温复杂环境下常用的结构和热防护材料。在高温复杂环境下,金属材料的强度、本构关系等力学行为与其在常温环境下有很大的不同,会表现出明显的温度相关性,用作外层防护或结构的陶瓷材料则会受到氧化烧蚀、热冲击等复杂的热、力、化学耦合作用。研究高温复杂环境下这些材料表现出的特殊力学行为以及其力学性能改善,对于材料在高温环境下的安全可靠工作至关重要。本文针对高温环境下金属材料的弹性模量理论和强度理论,陶瓷材料的抗热冲击性,以及材料氧化烧蚀的在线测试,开展如下研究:首先,基于晶格振动理论和自由能的分解建立了温度相关的弹性模量理论以及高温下等温和等熵模量的转换关系。通过将热振动自由能表示为应变张量的标量不变量和温度的函数,借助于热振动的爱因斯坦近似表达,从理论上推导出了温度相关的杨氏模量,体积模量,剪切模量以及泊松比。各弹性常数的理论预测与难熔金属钼的试验数据对比符合很好。进一步将本文提出的理论简化后得到与经典的Wachtman杨氏模量经验公式一致的表达,并给出了Wachtman经验公式中各参数的物理意义。其次,基于热力学基本原理建立了包含温度和应力状态的高温强度理论。通过将温度效应等价为应力场,从而方便的引入到现有的强度理论中进行温度相关的强度分析。温度相关的强度理论基于热力学基本原理和Grüneisen参数分析得出,理论表达中使用的参数具有明确的物理意义,温度效应对断裂破坏的贡献是缺陷无关的,其对断裂的等价应力贡献是只由材料摩尔体积常数和温度决定的,材料的缺陷由零点(或常温)下材料的强度所反映。该理论可以近似简化为强度与温度的线性关系,且在高低温下都有良好的准确度,非常适合工程应用。文章还通过分子动力学模拟了高温下金属钼不同平面应力状态下的断裂,给出了平面应力状态下的温度相关的强度曲线,分子动力学模拟结果与理论定性一致。通过Mo-10Cu的单向高温拉伸试验与理论预计进行对比,进一步验证了本文提出的高温强度理论的正确性。再者,提出了一种在陶瓷基底上制备与基底同材质的纳米多孔涂层的方法,用于改进陶瓷材料的抗热震性。采用金属有机框架(MOFs),并选择与基底陶瓷材料中金属离子相同的金属用于构造MOFs,最终在基底上制备出与基底材料相同的纳米多孔结构的涂层,且该制备方法简单易行,适合大规模生产使用。这样得到的同质涂层与基底之间不存在热膨胀系数差异带来的热失配,热冲击过程中不会发生涂层剥落。同时MOFs结构的纳米多孔特性使得涂层具有极低的导热率和很低的界面换热系数(涂层与水之间),因此带纳米多孔涂层的陶瓷试件具有优异的抗热震性。剩余强度测试和有限元模拟均一致的表明带纳米多孔涂层的试件较无涂层的试件在淬水试验中热应力阻力(临界温差)提高了约75%。最后,研究了采用非接触式光学和图像处理方法,适合高温复杂环境下使用的温度场和变形场同步测量技术和装置,并通过碳/碳化硅(C/SiC)复合材料的氧丙烷烧蚀试验验证了这套技术和装置。温度场的计算通过增强的比色法进行(对比色法进行改进,以适应实际的高温复杂环境),位移和应变场通过增加亮度校正的数字图像相关(DIC)方法计算。试验和计算结果表明,利用单一彩色相机进行温度场和位移场的同步测量是可行的,辐射光和反射光的相互影响也得到很好的消除,该方法由于装置的简洁性,非常适合工程应用。为了进一步适应高温环境下的氧化烧蚀的测试,发展了一种基于图像子区轮廓检测的变形直接测量方法。该方法通过边缘或区域检测算子提取子区,并通过二阶图像矩将子区转换为椭圆,通过计算椭圆特征值的变化直接得到应变。模拟和试验结果验证了该直接变形测量方法的正确性和在噪声环境下的鲁棒性。
[Abstract]:In this paper , the theory of elastic modulus theory and strength theory , the thermal shock resistance , the shear modulus and Poisson ' s ratio of the materials under high temperature and complex environment have been established . This method is very suitable for engineering application due to the simplicity of the device . In order to further adapt to the test of oxidative ablation under high temperature environment , a direct measurement method for deformation based on contour detection of image subregion is developed . The method is used to extract the sub - region through the edge or region detection operator , and the strain is directly obtained by calculating the change of the elliptic characteristic value . The simulation and experimental results verify the correctness of the direct deformation measurement method and the robustness under the noise environment .

【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O341

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