發(fā)布時間：2020-07-30 10:14

【摘要】：工程材料廣泛應用于建筑工程、航空航天、交通運輸、機械制造、能源化工等領域,均涉及到材料在高溫與超高溫(HTUHT)環(huán)境下的服役,彈性模量是重要的力學性能參數(shù)之一,準確地測試評價工程材料的HTUHT彈性模量對高溫材料的研制、高溫構件的經(jīng)濟合理設計與安全服役至關重要。然而,在材料HTUHT彈性模量測試技術研究領域,仍存在一些亟待解決的問題,例如:尚未建立塊體材料、厚壁管材與涂層材料HTUHT彈性模量的測試評價技術。本文基于相對法技術和材料力學理論,針對以上三種材料制品形式,提出了HTUHT彈性模量測試方法,并基于此研究了一些典型工程材料彈性模量—溫度的演變規(guī)律及其變化機制。首先,本文利用相對法技術實現(xiàn)了塊體材料HTUHT變形的準確測量,繼而實現(xiàn)了塊體材料HTUHT模量的測試評價。i)結合三點彎曲試驗與四點彎曲試驗,提出了相對三點彎曲法與相對四點彎曲法(統(tǒng)稱為撓度修正法),即將去除下支承輥的梁試樣作為參比試樣,利用參比試樣的橫梁位移增量扣除試驗機的系統(tǒng)誤差,然后通過彎曲試樣與參比試樣的橫梁位移間接測得梁試樣的真實撓度變形,代入所推導的計算公式可得梁試樣的HTUHT彈性模量。氧化鋁陶瓷室溫~1300°C彈性模量測試結果表明,脈沖激勵技術(IET)與撓度修正法測得的彈性模量—溫度變化曲線基本一致;且IET測試結果較撓度修正法測試結果略大(符合文獻報道),由此證明了撓度修正法的正確性與可靠性。利用相對三點彎曲法對C/C復合材料室溫~1700°C彈性模量的演變規(guī)律進行了研究,表明了相對三點彎曲法的易行性與有效性。ii)結合壓縮試驗,提出了相對壓縮法,通過高溫壓縮試驗與高溫參比試驗的橫梁位移增量間接測得塊體試樣的高溫壓縮變形,繼而可得其高溫壓縮模量。室溫下利用電感量儀測得的多孔剛玉—莫來石質耐火材料壓縮模量與相對壓縮法的測試結果相近,二者僅相差2.57%,由此證明了相對壓縮法的正確性與可靠性。繼而利用了相對壓縮法測得了多孔剛玉—莫來石質耐火材料室溫~1300°C壓縮模量。其次,針對厚壁管材HTUHT彈性模量的測試技術難題,本文將徑向力與切向力對管材試樣變形能的影響考慮在內,基于曲桿分析法,提出了適用范圍更廣的廣義缺口環(huán)法與廣義閉口環(huán)法。分別利用三點彎曲法、缺口環(huán)法與廣義缺口環(huán)法、閉口環(huán)法與廣義閉口環(huán)法測得了同一批次石英玻璃梁試樣與管材試樣的彈性模量與彎曲強度,測試結果表明:i)對于缺口環(huán)壓縮試驗,測試彈性模量時,在r/R0.55(r為內半徑,R為外半徑)的范圍內,缺口環(huán)法與廣義缺口環(huán)法測得的模量值相近;而當r/R≤0.55,須利用廣義缺口環(huán)法的測試環(huán)試樣的彈性模量;測試彎曲強度時,當r/R≤0.75,廣義缺口環(huán)法測得的彎曲強度更加準確(與三點彎曲法測試結果更相近)。ii)閉口環(huán)壓縮試驗測試彈性模量時,當r/R≤0.75,廣義閉口環(huán)法的模量測試值更準確;測試彎曲強度時,當r/R≤0.70,廣義閉口環(huán)法測試結果更準確。利用廣義缺口環(huán)法、廣義閉口環(huán)法、三點彎曲法分別測得了水泥砂漿梁試樣與管材試樣室溫彈性模量與彎曲強度,試驗結果表明三者測試結果相近,由此證明了廣義缺口環(huán)法與廣義閉口環(huán)法測試管材試樣力學性能的準確性與可靠性。進一步結合了相對法技術,提出廣義缺口環(huán)相對法與廣義閉口環(huán)相對法,實現(xiàn)了管材HTUHT彈性模量測量。試驗測得了水泥砂漿環(huán)試樣-70~800°C彈性模量、石英玻璃室溫~1200°C彈性模量與石墨環(huán)試樣室溫~2100°C彈性模量,測試結果表明了廣義缺口環(huán)相對法、廣義閉口環(huán)相對法測試管材HTUHT彈性模量的正確性與良好的可操作性。最后,提出了分別適用于梁試樣表面(單面、雙面)涂層與管材表面(外側、內側、兩側)涂層HTUHT彈性模量測試評價的三點彎二次相對法與缺口環(huán)二次相對法。分別利用三點彎二次相對法與缺口環(huán)二次相對法測得了石墨基體梁/環(huán)試樣表面化學氣相沉積碳化硅(CVD-SiC)涂層室溫~2100°C彈性模量,二種測試方法測得的CVD-SiC涂層模量值相近,二者互相證明了二次相對法測試涂層HTUHT彈性模量的正確性與有效性。室溫下利用電感量儀與二次相對法測得的涂層彈性模量相近,由此也證明了二次相對法的正確性與可靠性。本文提出的二次相對法原位(涂層粘結于基體)測得的涂層模量是涂層真實、整體的彈性模量,是根據(jù)材料的宏觀力學響應參數(shù)測得的,不同于壓痕法測得的局部模量和剝離后涂層的彈性模量;且測試精度取決于試驗機橫梁位移,不受測試環(huán)境溫度的限制,可應用于HTUHT環(huán)境條件下。試驗測得了8YSZ熱障涂層室溫~800°C彈性模量、CVD-SiC涂層室溫~2100°C彈性模量,并對其模量—溫度演化規(guī)律及變化機制進行了研究分析。此外,針對管材三種涂層結構形式,提出了管材涂層彎曲強度的測試方法,即缺口環(huán)法測試外側涂層彎曲強度;閉口環(huán)法測試內側涂層彎曲強度;缺口環(huán)法/閉口環(huán)法測試兩側涂層彎曲強度。利用三點彎曲法結合相對法技術對石墨基體梁試樣表面CVD-SiC涂層的彎曲強度進行測試,同時利用本研究所提出的方法測得了石墨基體環(huán)試樣表面同種CVD-SiC涂層的彎曲強度。試驗測得的管材涂層彎曲強度與梁試樣表面涂層彎曲強度基本相近,由此即可證明管材涂層彎曲強度測試方法的正確性與可靠性。
【學位授予單位】：中國建筑材料科學研究總院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB30

【參考文獻】

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本文編號：2775398