【摘要】：工程材料廣泛應(yīng)用于建筑工程、航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、能源化工等領(lǐng)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(xué)性能參數(shù)之一,準(zhǔn)確地測(cè)試評(píng)價(jià)工程材料的HTUHT彈性模量對(duì)高溫材料的研制、高溫構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計(jì)與安全服役至關(guān)重要。然而,在材料HTUHT彈性模量測(cè)試技術(shù)研究領(lǐng)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(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。本文基于相對(duì)法技術(shù)和材料力學(xué)理論,針對(duì)以上三種材料制品形式,提出了HTUHT彈性模量測(cè)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(jī)制。首先,本文利用相對(duì)法技術(shù)實(shí)現(xiàn)了塊體材料HTUHT變形的準(zhǔn)確測(cè)量,繼而實(shí)現(xiàn)了塊體材料HTUHT模量的測(cè)試評(píng)價(jià)。i)結(jié)合三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),提出了相對(duì)三點(diǎn)彎曲法與相對(duì)四點(diǎn)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(yàn)機(jī)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(cè)得梁試樣的真實(shí)撓度變形,代入所推導(dǎo)的計(jì)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(cè)試結(jié)果表明,脈沖激勵(lì)技術(shù)(IET)與撓度修正法測(cè)得的彈性模量—溫度變化曲線基本一致;且IET測(cè)試結(jié)果較撓度修正法測(cè)試結(jié)果略大(符合文獻(xiàn)報(bào)道),由此證明了撓度修正法的正確性與可靠性。利用相對(duì)三點(diǎn)彎曲法對(duì)C/C復(fù)合材料室溫~1700°C彈性模量的演變規(guī)律進(jìn)行了研究,表明了相對(duì)三點(diǎn)彎曲法的易行性與有效性。ii)結(jié)合壓縮試驗(yàn),提出了相對(duì)壓縮法,通過高溫壓縮試驗(yàn)與高溫參比試驗(yàn)的橫梁位移增量間接測(cè)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(cè)得的多孔剛玉—莫來石質(zhì)耐火材料壓縮模量與相對(duì)壓縮法的測(cè)試結(jié)果相近,二者僅相差2.57%,由此證明了相對(duì)壓縮法的正確性與可靠性。繼而利用了相對(duì)壓縮法測(cè)得了多孔剛玉—莫來石質(zhì)耐火材料室溫~1300°C壓縮模量。其次,針對(duì)厚壁管材HTUHT彈性模量的測(cè)試技術(shù)難題,本文將徑向力與切向力對(duì)管材試樣變形能的影響考慮在內(nèi),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(diǎn)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(cè)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(qiáng)度,測(cè)試結(jié)果表明:i)對(duì)于缺口環(huán)壓縮試驗(yàn),測(cè)試彈性模量時(shí),在r/R0.55(r為內(nèi)半徑,R為外半徑)的范圍內(nèi),缺口環(huán)法與廣義缺口環(huán)法測(cè)得的模量值相近;而當(dāng)r/R≤0.55,須利用廣義缺口環(huán)法的測(cè)試環(huán)試樣的彈性模量;測(cè)試彎曲強(qiáng)度時(shí),當(dāng)r/R≤0.75,廣義缺口環(huán)法測(cè)得的彎曲強(qiáng)度更加準(zhǔn)確(與三點(diǎn)彎曲法測(cè)試結(jié)果更相近)。ii)閉口環(huán)壓縮試驗(yàn)測(cè)試彈性模量時(shí),當(dāng)r/R≤0.75,廣義閉口環(huán)法的模量測(cè)試值更準(zhǔn)確;測(cè)試彎曲強(qiáng)度時(shí),當(dāng)r/R≤0.70,廣義閉口環(huán)法測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。利用廣義缺口環(huán)法、廣義閉口環(huán)法、三點(diǎn)彎曲法分別測(cè)得了水泥砂漿梁試樣與管材試樣室溫彈性模量與彎曲強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果表明三者測(cè)試結(jié)果相近,由此證明了廣義缺口環(huán)法與廣義閉口環(huán)法測(cè)試管材試樣力學(xué)性能的準(zhǔn)確性與可靠性。進(jìn)一步結(jié)合了相對(duì)法技術(shù),提出廣義缺口環(huán)相對(duì)法與廣義閉口環(huán)相對(duì)法,實(shí)現(xiàn)了管材HTUHT彈性模量測(cè)量。試驗(yàn)測(cè)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(cè)試結(jié)果表明了廣義缺口環(huán)相對(duì)法、廣義閉口環(huán)相對(duì)法測(cè)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(cè)、內(nèi)側(cè)、兩側(cè))涂層HTUHT彈性模量測(cè)試評(píng)價(jià)的三點(diǎn)彎二次相對(duì)法與缺口環(huán)二次相對(duì)法。分別利用三點(diǎn)彎二次相對(duì)法與缺口環(huán)二次相對(duì)法測(cè)得了石墨基體梁/環(huán)試樣表面化學(xué)氣相沉積碳化硅(CVD-SiC)涂層室溫~2100°C彈性模量,二種測(cè)試方法測(cè)得的CVD-SiC涂層模量值相近,二者互相證明了二次相對(duì)法測(cè)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(duì)法測(cè)得的涂層彈性模量相近,由此也證明了二次相對(duì)法的正確性與可靠性。本文提出的二次相對(duì)法原位(涂層粘結(jié)于基體)測(cè)得的涂層模量是涂層真實(shí)、整體的彈性模量,是根據(jù)材料的宏觀力學(xué)響應(yīng)參數(shù)測(cè)得的,不同于壓痕法測(cè)得的局部模量和剝離后涂層的彈性模量;且測(cè)試精度取決于試驗(yàn)機(jī)橫梁位移,不受測(cè)試環(huán)境溫度的限制,可應(yīng)用于HTUHT環(huán)境條件下。試驗(yàn)測(cè)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(duì)其模量—溫度演化規(guī)律及變化機(jī)制進(jìn)行了研究分析。此外,針對(duì)管材三種涂層結(jié)構(gòu)形式,提出了管材涂層彎曲強(qiáng)度的測(cè)試方法,即缺口環(huán)法測(cè)試外側(cè)涂層彎曲強(qiáng)度;閉口環(huán)法測(cè)試內(nèi)側(cè)涂層彎曲強(qiáng)度;缺口環(huán)法/閉口環(huán)法測(cè)試兩側(cè)涂層彎曲強(qiáng)度。利用三點(diǎn)彎曲法結(jié)合相對(duì)法技術(shù)對(duì)石墨基體梁試樣表面CVD-SiC涂層的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)利用本研究所提出的方法測(cè)得了石墨基體環(huán)試樣表面同種CVD-SiC涂層的彎曲強(qiáng)度。試驗(yàn)測(cè)得的管材涂層彎曲強(qiáng)度與梁試樣表面涂層彎曲強(qiáng)度基本相近,由此即可證明管材涂層彎曲強(qiáng)度測(cè)試方法的正確性與可靠性。
【學(xué)位授予單位】：中國建筑材料科學(xué)研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB30

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2775398