發(fā)布時(shí)間：2018-01-23 07:34

  本文關(guān)鍵詞： 力學(xué)-化學(xué)模型 高溫氧化 力學(xué)特性 元素?cái)U(kuò)散 細(xì)觀力學(xué)　出處：《華東理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：鈦、鎳及其合金由于其出色的力學(xué)性能,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)等諸多尖端技術(shù)領(lǐng)域,有著廣泛的應(yīng)用。然而,高溫環(huán)境下的抗氧化性能,嚴(yán)重制約著金屬及合金材料的工作條件和服役壽命�？量虠l件下的金屬材料熱氧化行為及力學(xué)特性的研究,對(duì)于實(shí)際工程中的材料性能分析、構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)和表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),均有著重要的指導(dǎo)意義。針對(duì)金屬材料的氧化、擴(kuò)散行為與力學(xué)特性之間的多重耦合作用關(guān)系,作者展開(kāi)了以下方面的模型及實(shí)驗(yàn)研究工作:(1)基于Clarke生長(zhǎng)應(yīng)變理論,建立綜合考慮生長(zhǎng)應(yīng)變、彈性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變和外部載荷的力學(xué)—化學(xué)耦合作用模型,用以預(yù)測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變及氧化膜厚度隨時(shí)間的變化規(guī)律。由氧化所致的氧化膜內(nèi)產(chǎn)生明顯的生長(zhǎng)應(yīng)變和生長(zhǎng)應(yīng)力,對(duì)氧化膜/基體系統(tǒng)的力學(xué)平衡造成影響。建模過(guò)程中,作者對(duì)氧化膜厚度與生長(zhǎng)應(yīng)變之間的關(guān)系作了線性描述。同時(shí),根據(jù)Helmholtz自由能公式,應(yīng)力狀態(tài)對(duì)元素的擴(kuò)散行為造成影響,從而改變了金屬材料的氧化動(dòng)力學(xué)特性。(2)通過(guò)考慮應(yīng)力、應(yīng)變及氧元素濃度在氧化膜內(nèi)的梯度分布,對(duì)上述力學(xué)—化學(xué)模型作了進(jìn)一步拓展和修正,使模型得到更為廣泛而精確的應(yīng)用。采用離散化方法,宏觀尺度上的氧化膜被分解為多層的微觀膜,用以描述氧化膜內(nèi)的梯度結(jié)構(gòu)分布�；诰�性代數(shù)方法,對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變及氧元素濃度的分布作了耦合求解。建模過(guò)程中,采用修正后的線性-拋物線型公式描述材料的氧化動(dòng)力學(xué)特性,并證明該公式可視作傳統(tǒng)的Wagner方程的廣義形式。同時(shí),通過(guò)比較應(yīng)變和應(yīng)力載荷在內(nèi)的多種機(jī)械載荷的作用,澄清了機(jī)械載荷對(duì)于氧化動(dòng)力學(xué)和力學(xué)行為的影響機(jī)制。(3)采用X射線衍射、掃描電鏡、能譜分析、光學(xué)顯微鏡及納米壓痕等有效實(shí)驗(yàn)手段,系統(tǒng)性地研究了 Ti-6A1-4V合金的高溫氧化機(jī)制、氧化動(dòng)力學(xué)特性及氧化過(guò)程中的應(yīng)力變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了彎曲載荷對(duì)于鈦合金的氧化膜、滲氧層的不同作用,并與模型計(jì)算結(jié)果相比較,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。(4)基于細(xì)觀力學(xué)的理論基礎(chǔ),對(duì)力學(xué)均勻化理論做了有效的推導(dǎo)和拓展,使其能夠廣泛應(yīng)用于元素?cái)U(kuò)散的研究領(lǐng)域。借助傅里葉變換,求解了關(guān)于擴(kuò)散性能的Esheby張量的閉合解,并由此求得了非均勻混合物的有效擴(kuò)散張量。(5)基于細(xì)觀力學(xué),推導(dǎo)得到了合金元素?cái)U(kuò)散過(guò)程中微觀應(yīng)變與宏觀應(yīng)變之間的力學(xué)關(guān)系模型。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)考慮有效彈性張量對(duì)元素濃度的依賴關(guān)系,建立力學(xué)平衡方程。同時(shí),不同載荷對(duì)于應(yīng)力分布和擴(kuò)散行為的影響也做了進(jìn)一步探討�；谠鼗瘜W(xué)式、有效擴(kuò)散張量、有效彈性性能及應(yīng)力狀態(tài)之間的相互作用,建立了擴(kuò)散行為與力學(xué)特性耦合作用下的擴(kuò)散方程,實(shí)現(xiàn)了在宏觀和微觀兩個(gè)尺度下應(yīng)力狀態(tài)及元素濃度的耦合求解。該方程可視作對(duì)傳統(tǒng)Fick擴(kuò)散定律的有效修正,提高了應(yīng)力狀態(tài)與元素濃度預(yù)測(cè)過(guò)程中的準(zhǔn)確性。
[Abstract]:Titanium, nickel and its alloy because of its excellent mechanical properties, in many cutting-edge technology field of the aero engine and gas turbine, has been widely used. However, the antioxidant properties in high temperature environment, seriously restricting the metal and alloy materials working conditions and service life of metal materials. Thermal oxidation behavior and mechanical properties under harsh conditions, analysis of the material properties in practical engineering, component life prediction and optimization design of surface structure, has the important guiding significance. For the oxidation of metal materials, multiple coupling relationship between diffusion characteristics and mechanical behavior, the author carried out the work model and experimental research of the following aspects: (1 based on the theory of the growth of Clarke strain), considering the growth strain, elastic strain, creep strain and external load mechanical chemical coupling model is used to predict the stress should be. Changes and film thickness with time. Obvious growth strain and growth stresses caused by oxidation caused by the oxide film, the oxide film / substrate system affect the mechanical equilibrium. In the process of modeling, the author makes a line description of the relationship between film thickness and growth strain. At the same time, according to the Helmholtz free energy formula that should be the diffusion behavior of stress of elements of the impact, thus changing the oxidation kinetics of metal materials. (2) by considering the stress gradient in the oxide film in the strain and oxygen concentration distribution on the mechanical and chemical model is further extended and modified, more widely and accurately make model. Using the discrete method on macro scale film is decomposed into multilayer micro film, used to describe the structure of oxide film. The gradient distribution method based on linear algebra, the stress should be. The distribution and concentration of oxygen for the coupling solution. In the process of modeling, using the modified linear parabolic equations describing the oxidation kinetics characteristics of the materials, and proves that the generalized form of the formula can be regarded as the traditional Wagner equation. At the same time, through a variety of mechanical loads between strain and stress load, role clarification the mechanism of the effect of mechanical load on the oxidation kinetics and mechanical behavior. (3) by using X ray diffraction, scanning electron microscopy, energy spectrum analysis method, optical microscope and nano indentation experiments effectively, the mechanism of oxidation system of Ti-6A1-4V alloy, stress change dynamics and oxidation in the process of the experiment. The results confirmed that the film bending load for the titanium alloy, the effect of oxygen permeability of different layers, and compare the calculated results with the model, to verify the accuracy of the model and the reliability based on (4). The theoretical basis of meso mechanics, mechanics of homogenization theory the derivation and development, so that it can be widely used in the element diffusion research field. With the help of Fu Liye transform, solving the closed Esheby on the performance of the solution diffusion tensor, and thus obtained the effective diffusion tensor of non uniform mixture (5.) micromechanics based on derived alloy element diffusion mechanics model between micro strain and macroscopic strain in the process. On this basis, by considering the dependence of the effective elastic tensor element concentration, a mechanical equilibrium equation. At the same time, the influence of different load on the stress distribution and the diffusion behavior also made further to investigate the chemical elements. Based on the effective diffusion tensor, the effective elastic properties and stress interaction between States, set up the diffusion equation of coupling diffusion behavior and mechanical properties of the implementation The coupling solution of stress state and element concentration under two scales of macroscopical and microcosmic is solved. This equation can be used to correct the traditional Fick diffusion law effectively, and improve the accuracy of prediction of stress state and element concentration.

【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG111.6

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本文編號(hào)：1457078