本文關(guān)鍵詞： 高溫 彈性模量 強(qiáng)度 熱沖擊 測(cè)試　出處：《重慶大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：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,陶瓷材料的抗熱沖擊性,以及材料氧化燒蝕的在線測(cè)試,開(kāi)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(guò)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(ài)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)的熱失配,熱沖擊過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)增加亮度校正的數(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(guò)邊緣或區(qū)域檢測(cè)算子提取子區(qū),并通過(guò)二階圖像矩將子區(qū)轉(zhuǎn)換為橢圓,通過(guò)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)量方法的正確性和在噪聲環(huán)境下的魯棒性。
[Abstract]:In this paper , the theory of elastic modulus theory and strength theory , the thermal shock resistance , the shear modulus and Poisson ' s ratio of the materials under high temperature and complex environment have been established . This method is very suitable for engineering application due to the simplicity of the device . In order to further adapt to the test of oxidative ablation under high temperature environment , a direct measurement method for deformation based on contour detection of image subregion is developed . The method is used to extract the sub - region through the edge or region detection operator , and the strain is directly obtained by calculating the change of the elliptic characteristic value . The simulation and experimental results verify the correctness of the direct deformation measurement method and the robustness under the noise environment .

【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O341

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