高溫復(fù)雜環(huán)境下材料力學(xué)行為的理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、金屬材料（包括高溫合金和難熔合金）和陶瓷材料是高溫復(fù)雜環(huán)境下常用的結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)材料。在高溫復(fù)雜環(huán)境下，金屬材料的強(qiáng)度、本構(gòu)關(guān)系等力學(xué)行為與其在常溫環(huán)境下有很大的不同，會(huì)表現(xiàn)出明顯的溫度相關(guān)性，用作外層防護(hù)或結(jié)構(gòu)的陶瓷材料則會(huì)受到氧化燒蝕、熱沖擊等復(fù)雜的熱、力、化學(xué)耦合作用。研究高溫復(fù)雜環(huán)境下這些材料表現(xiàn)出的特殊力學(xué)行為以及其力學(xué)性能改善，對(duì)于材料在高溫環(huán)境下的安全可靠工作至關(guān)重要。本文針對(duì)高溫環(huán)境下金屬材料的彈性模量理論和強(qiáng)度理論，陶瓷

2、材料的抗熱沖擊性，以及材料氧化燒蝕的在線測(cè)試，開展如下研究：
　　首先，基于晶格振動(dòng)理論和自由能的分解建立了溫度相關(guān)的彈性模量理論以及高溫下等溫和等熵模量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。通過將熱振動(dòng)自由能表示為應(yīng)變張量的標(biāo)量不變量和溫度的函數(shù)，借助于熱振動(dòng)的愛因斯坦近似表達(dá)，從理論上推導(dǎo)出了溫度相關(guān)的楊氏模量，體積模量，剪切模量以及泊松比。各彈性常數(shù)的理論預(yù)測(cè)與難熔金屬鉬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比符合很好。進(jìn)一步將本文提出的理論簡(jiǎn)化后得到與經(jīng)典的Wachtman

3、楊氏模量經(jīng)驗(yàn)公式一致的表達(dá)，并給出了Wachtman經(jīng)驗(yàn)公式中各參數(shù)的物理意義。
　　其次，基于熱力學(xué)基本原理建立了包含溫度和應(yīng)力狀態(tài)的高溫強(qiáng)度理論。通過將溫度效應(yīng)等價(jià)為應(yīng)力場(chǎng)，從而方便的引入到現(xiàn)有的強(qiáng)度理論中進(jìn)行溫度相關(guān)的強(qiáng)度分析。溫度相關(guān)的強(qiáng)度理論基于熱力學(xué)基本原理和Grüneisen參數(shù)分析得出，理論表達(dá)中使用的參數(shù)具有明確的物理意義，溫度效應(yīng)對(duì)斷裂破壞的貢獻(xiàn)是缺陷無關(guān)的，其對(duì)斷裂的等價(jià)應(yīng)力貢獻(xiàn)是只由材料摩爾體積常數(shù)和溫度決

4、定的，材料的缺陷由零點(diǎn)（或常溫）下材料的強(qiáng)度所反映。該理論可以近似簡(jiǎn)化為強(qiáng)度與溫度的線性關(guān)系，且在高低溫下都有良好的準(zhǔn)確度，非常適合工程應(yīng)用。文章還通過分子動(dòng)力學(xué)模擬了高溫下金屬鉬不同平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂，給出了平面應(yīng)力狀態(tài)下的溫度相關(guān)的強(qiáng)度曲線，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果與理論定性一致。通過Mo-10Cu的單向高溫拉伸試驗(yàn)與理論預(yù)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的高溫強(qiáng)度理論的正確性。
　　再者，提出了一種在陶瓷基底上制備與基底同材質(zhì)的

5、納米多孔涂層的方法，用于改進(jìn)陶瓷材料的抗熱震性。采用金屬有機(jī)框架（MOFs）,并選擇與基底陶瓷材料中金屬離子相同的金屬用于構(gòu)造MOFs，最終在基底上制備出與基底材料相同的納米多孔結(jié)構(gòu)的涂層，且該制備方法簡(jiǎn)單易行，適合大規(guī)模生產(chǎn)使用。這樣得到的同質(zhì)涂層與基底之間不存在熱膨脹系數(shù)差異帶來的熱失配，熱沖擊過程中不會(huì)發(fā)生涂層剝落。同時(shí) MOFs結(jié)構(gòu)的納米多孔特性使得涂層具有極低的導(dǎo)熱率和很低的界面換熱系數(shù)（涂層與水之間），因此帶納米多孔涂層的陶

6、瓷試件具有優(yōu)異的抗熱震性。剩余強(qiáng)度測(cè)試和有限元模擬均一致的表明帶納米多孔涂層的試件較無涂層的試件在淬水試驗(yàn)中熱應(yīng)力阻力（臨界溫差）提高了約75％。
　　最后，研究了采用非接觸式光學(xué)和圖像處理方法，適合高溫復(fù)雜環(huán)境下使用的溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)同步測(cè)量技術(shù)和裝置，并通過碳/碳化硅（C/SiC）復(fù)合材料的氧丙烷燒蝕試驗(yàn)驗(yàn)證了這套技術(shù)和裝置。溫度場(chǎng)的計(jì)算通過增強(qiáng)的比色法進(jìn)行（對(duì)比色法進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)實(shí)際的高溫復(fù)雜環(huán)境），位移和應(yīng)變場(chǎng)通過增加亮度

7、校正的數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法計(jì)算。試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，利用單一彩色相機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)的同步測(cè)量是可行的，輻射光和反射光的相互影響也得到很好的消除，該方法由于裝置的簡(jiǎn)潔性，非常適合工程應(yīng)用。為了進(jìn)一步適應(yīng)高溫環(huán)境下的氧化燒蝕的測(cè)試，發(fā)展了一種基于圖像子區(qū)輪廓檢測(cè)的變形直接測(cè)量方法。該方法通過邊緣或區(qū)域檢測(cè)算子提取子區(qū)，并通過二階圖像矩將子區(qū)轉(zhuǎn)換為橢圓，通過計(jì)算橢圓特征值的變化直接得到應(yīng)變。模擬和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該直接變形測(cè)量方法的正