【摘要】：粘彈塑性材料中的微孔增長和空化問題研究,可為高溫?zé)釠_擊服役環(huán)境下金屬材料和結(jié)構(gòu)的損傷演化和壽命評估提供基礎(chǔ)理論分析,并且可以從固體力學(xué)角度來分析材料微觀孔洞萌生和演化規(guī)律,因此具有重要的學(xué)術(shù)研究價(jià)值。金屬材料在高溫?zé)釠_擊下粘性效應(yīng)更為顯著,并且微孔的增長需要考慮時(shí)間演化過程。本文以高溫鎳基合金和鋁合金為工程背景,基于熱粘彈塑性理論,較為系統(tǒng)地研究了金屬材料在熱沖擊下的微孔增長和空化問題。主要研究工作如下:1.對一系列高溫鎳基合金靶材實(shí)施了激光穿孔實(shí)驗(yàn),證實(shí)了強(qiáng)熱沖擊下高溫鎳基合金材料中微孔萌生的可能性。實(shí)驗(yàn)觀察到原始完好的高溫合金材料在強(qiáng)激光熱沖擊作用下,會在熱影響區(qū)產(chǎn)生出孤立的微米尺寸的球形孔洞和和密集的孔洞群,它為微孔增長和空化問題的理論研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.應(yīng)用Laplace積分變換和數(shù)值逆變換方法,得到了粘塑性材料中微孔動(dòng)態(tài)增長問題的半解析-半數(shù)值解,分析了慣性效應(yīng)和熱粘性效應(yīng)對微孔增長的影響。3.考慮了初始的未屈服變形階段以及屈服后變形的動(dòng)界面效應(yīng)。分別針對彈-粘塑性和粘-彈塑性兩類固體材料中的微孔增長問題,基于Perzyna粘彈塑性本構(gòu)理論,建立了分時(shí)段、分區(qū)域的數(shù)學(xué)模型,并且采用時(shí)空變量的直接積分方法,將問題在數(shù)學(xué)上歸結(jié)為關(guān)于動(dòng)界面位置函數(shù)滿足的一階非線性常微分方程,最后給出了微孔準(zhǔn)靜態(tài)增長問題的半解析-半數(shù)值解,并且揭示了對微孔演化的動(dòng)界面帶來的非線性效應(yīng)影響。4.數(shù)值算例中選取高溫鎳基合金材料參數(shù),討論了變溫、升溫率、彈性粘性、塑性粘性、屈服應(yīng)力等參數(shù)對應(yīng)力和位移時(shí)空分布、動(dòng)界面演化、微孔隨時(shí)間動(dòng)態(tài)增長的影響。結(jié)果表明:在較高變溫和升溫率的熱沖擊條件下,粘性會增強(qiáng)初始階段和孔壁附近的應(yīng)力集中,微孔增長響應(yīng)的粘性效應(yīng)會更加明顯,同時(shí)起到了遲滯和阻尼作用。同時(shí)微孔增長的尺寸與熱沖擊變溫載荷呈現(xiàn)出非線性依賴關(guān)系。5.研究了熱沖擊下粘彈-理想塑性材料中的熱空化問題,給出了微孔萌生時(shí)的臨界溫度。在材料的未屈服區(qū)域考慮粘彈性小變形,并且引入對數(shù)應(yīng)變在已屈服區(qū)域考慮理想塑性大變形,建立了具有動(dòng)界面的數(shù)學(xué)模型,給出相應(yīng)的半解析-半數(shù)值解,最后在微孔原始半徑趨于零的極限狀態(tài)下,以鋁合金為例計(jì)算出了熱空化的臨界溫度為其熔點(diǎn)溫度的93%。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG132.3
【圖文】：

１．１課題研究背景及研究意義逡逑１．１．１研究背景逡逑隨著科技的發(fā)展，金屬材料的性能也得到很人的改善，盡管如此，在逡逑極端環(huán)境中服役的固體材料仍然會由初期的微觀損傷演變?yōu)槠茐臄嗔眩@逡逑些初期的微觀損傷的成因在力學(xué)、冶金、材料等各學(xué)科上都有大量的文獻(xiàn)逡逑研究。在核電、焊接、航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火等各種高溫急劇變化的熱環(huán)境中，逡逑對于每一次的熱沖擊，材料均會有不同程度的微觀損傷形成，如微孔萌生、逡逑增長、貫穿、微裂隙等，在不斷的循環(huán)熱載荷下，損傷會進(jìn)一步演化，最逡逑終導(dǎo)致宏觀破壞。逡逑在核電領(lǐng)域，在高溫壓力環(huán)境中服役的鋼材料在內(nèi)部劇烈變換的熱、逡逑力、化學(xué)等耦合復(fù)雜加載下，會在晶界、碳化物等位置處發(fā)生屈服變形，逡逑進(jìn)而形成微孔，進(jìn)一步的加載，微孔貫穿形成微裂紋如圖１－１。逡逑

逑的耦合效應(yīng)導(dǎo)致廣焊接成型后的材料內(nèi)部，在其三叉形貌處中已經(jīng)形成ｆ逡逑不同程度的微孔，如圖１－２１－＇逡逑■Ｈ逡逑圖１－２邋ＴＣ４鈦合金試件焊接接頭處的微孔缺陷ｎ逡逑對于常見的鋁合金焊接構(gòu)件，在經(jīng)過不斷的熱循環(huán)加載條件下，也會在逡逑焊接區(qū)域或者焊接過程中的熱影響Ｅ內(nèi)的第二相粒子周圍形成孔洞，并且逡逑已有文獻(xiàn)證明這些孔洞是造成宏觀機(jī)械性能下降以至斷裂失效的主要原因。逡逑以５Ａ０６鋁合金焊接接頭為例，連續(xù)進(jìn)行ｏ．３ｒｍ邋（ｒｍ為熔點(diǎn)溫度６３０°Ｃ）邋士逡逑１０（ＴＣ，周期為９０分鐘的熱循環(huán)加載條件，在經(jīng)歷１００周期后，解剖試件逡逑出現(xiàn)斷口的區(qū)域可以觀察到微孔洞Ｗ，如圖１－３。逡逑ｍ逡逑圖１－３熱循環(huán)加載后的斷口組織形貌Ｗ逡逑另外，對于材料內(nèi)部萌生微孔和微孔增長的一個(gè)重要的領(lǐng)域就是航空發(fā)逡逑動(dòng)機(jī)用的鎳合金材料。到目前為止，高溫鎳合金材料的發(fā)展經(jīng)歷了高溫不逡逑銹鋼合金、變形合金、鑄造合金、定向凝固合金以及單晶合金等系列階段。逡逑鎳基高溫合金作為高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金

逑的耦合效應(yīng)導(dǎo)致廣焊接成型后的材料內(nèi)部，在其三叉形貌處中已經(jīng)形成ｆ逡逑不同程度的微孔，如圖１－２１－＇逡逑■Ｈ逡逑圖１－２邋ＴＣ４鈦合金試件焊接接頭處的微孔缺陷ｎ逡逑對于常見的鋁合金焊接構(gòu)件，在經(jīng)過不斷的熱循環(huán)加載條件下，也會在逡逑焊接區(qū)域或者焊接過程中的熱影響Ｅ內(nèi)的第二相粒子周圍形成孔洞，并且逡逑已有文獻(xiàn)證明這些孔洞是造成宏觀機(jī)械性能下降以至斷裂失效的主要原因。逡逑以５Ａ０６鋁合金焊接接頭為例，連續(xù)進(jìn)行ｏ．３ｒｍ邋（ｒｍ為熔點(diǎn)溫度６３０°Ｃ）邋士逡逑１０（ＴＣ，周期為９０分鐘的熱循環(huán)加載條件，在經(jīng)歷１００周期后，解剖試件逡逑出現(xiàn)斷口的區(qū)域可以觀察到微孔洞Ｗ，如圖１－３。逡逑ｍ逡逑圖１－３熱循環(huán)加載后的斷口組織形貌Ｗ逡逑另外，對于材料內(nèi)部萌生微孔和微孔增長的一個(gè)重要的領(lǐng)域就是航空發(fā)逡逑動(dòng)機(jī)用的鎳合金材料。到目前為止，高溫鎳合金材料的發(fā)展經(jīng)歷了高溫不逡逑銹鋼合金、變形合金、鑄造合金、定向凝固合金以及單晶合金等系列階段。逡逑鎳基高溫合金作為高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金

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本文編號：2767278