高溫復雜環(huán)境下材料力學行為的理論與試驗研究.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雜環(huán)境下常用的結構和熱防護材料。在高溫復雜環(huán)境下，金屬材料的強度、本構關系等力學行為與其在常溫環(huán)境下有很大的不同，會表現(xiàn)出明顯的溫度相關性，用作外層防護或結構的陶瓷材料則會受到氧化燒蝕、熱沖擊等復雜的熱、力、化學耦合作用。研究高溫復雜環(huán)境下這些材料表現(xiàn)出的特殊力學行為以及其力學性能改善，對于材料在高溫環(huán)境下的安全可靠工作至關重要。本文針對高溫環(huán)境下金屬材料的彈性模量理論和強度理論，陶瓷

2、材料的抗熱沖擊性，以及材料氧化燒蝕的在線測試，開展如下研究：
　　首先，基于晶格振動理論和自由能的分解建立了溫度相關的彈性模量理論以及高溫下等溫和等熵模量的轉換關系。通過將熱振動自由能表示為應變張量的標量不變量和溫度的函數(shù)，借助于熱振動的愛因斯坦近似表達，從理論上推導出了溫度相關的楊氏模量，體積模量，剪切模量以及泊松比。各彈性常數(shù)的理論預測與難熔金屬鉬的試驗數(shù)據(jù)對比符合很好。進一步將本文提出的理論簡化后得到與經(jīng)典的Wachtman

3、楊氏模量經(jīng)驗公式一致的表達，并給出了Wachtman經(jīng)驗公式中各參數(shù)的物理意義。
　　其次，基于熱力學基本原理建立了包含溫度和應力狀態(tài)的高溫強度理論。通過將溫度效應等價為應力場，從而方便的引入到現(xiàn)有的強度理論中進行溫度相關的強度分析。溫度相關的強度理論基于熱力學基本原理和Grüneisen參數(shù)分析得出，理論表達中使用的參數(shù)具有明確的物理意義，溫度效應對斷裂破壞的貢獻是缺陷無關的，其對斷裂的等價應力貢獻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（或常溫）下材料的強度所反映。該理論可以近似簡化為強度與溫度的線性關系，且在高低溫下都有良好的準確度，非常適合工程應用。文章還通過分子動力學模擬了高溫下金屬鉬不同平面應力狀態(tài)下的斷裂，給出了平面應力狀態(tài)下的溫度相關的強度曲線，分子動力學模擬結果與理論定性一致。通過Mo-10Cu的單向高溫拉伸試驗與理論預計進行對比，進一步驗證了本文提出的高溫強度理論的正確性。
　　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，用于改進陶瓷材料的抗熱震性。采用金屬有機框架（MOFs）,并選擇與基底陶瓷材料中金屬離子相同的金屬用于構造MOFs，最終在基底上制備出與基底材料相同的納米多孔結構的涂層，且該制備方法簡單易行，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，熱沖擊過程中不會發(fā)生涂層剝落。同時 MOFs結構的納米多孔特性使得涂層具有極低的導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。剩余強度測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中熱應力阻力（臨界溫差）提高了約75％。
　　最后，研究了采用非接觸式光學和圖像處理方法，適合高溫復雜環(huán)境下使用的溫度場和變形場同步測量技術和裝置，并通過碳/碳化硅（C/SiC）復合材料的氧丙烷燒蝕試驗驗證了這套技術和裝置。溫度場的計算通過增強的比色法進行（對比色法進行改進，以適應實際的高溫復雜環(huán)境），位移和應變場通過增加亮度

7、校正的數(shù)字圖像相關（DIC）方法計算。試驗和計算結果表明，利用單一彩色相機進行溫度場和位移場的同步測量是可行的，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潔性，非常適合工程應用。為了進一步適應高溫環(huán)境下的氧化燒蝕的測試，發(fā)展了一種基于圖像子區(qū)輪廓檢測的變形直接測量方法。該方法通過邊緣或區(qū)域檢測算子提取子區(qū)，并通過二階圖像矩將子區(qū)轉換為橢圓，通過計算橢圓特征值的變化直接得到應變。模擬和試驗結果驗證了該直接變形測量方法的正