本文關(guān)鍵詞： 力學(xué)-化學(xué)模型 高溫氧化 力學(xué)特性 元素擴散 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)動機和重型燃?xì)廨啓C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。苛刻條件下的金屬材料熱氧化行為及力學(xué)特性的研究,對于實際工程中的材料性能分析、構(gòu)件壽命預(yù)測和表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,均有著重要的指導(dǎo)意義。針對金屬材料的氧化、擴散行為與力學(xué)特性之間的多重耦合作用關(guān)系,作者展開了以下方面的模型及實驗研究工作:(1)基于Clarke生長應(yīng)變理論,建立綜合考慮生長應(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)測應(yīng)力、應(yīng)變及氧化膜厚度隨時間的變化規(guī)律。由氧化所致的氧化膜內(nèi)產(chǎn)生明顯的生長應(yīng)變和生長應(yīng)力,對氧化膜/基體系統(tǒng)的力學(xué)平衡造成影響。建模過程中,作者對氧化膜厚度與生長應(yīng)變之間的關(guān)系作了線性描述。同時,根據(jù)Helmholtz自由能公式,應(yīng)力狀態(tài)對元素的擴散行為造成影響,從而改變了金屬材料的氧化動力學(xué)特性。(2)通過考慮應(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,對應(yīng)力、應(yīng)變及氧元素濃度的分布作了耦合求解。建模過程中,采用修正后的線性-拋物線型公式描述材料的氧化動力學(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,通過比較應(yīng)變和應(yīng)力載荷在內(nèi)的多種機械載荷的作用,澄清了機械載荷對于氧化動力學(xué)和力學(xué)行為的影響機制。(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驗手段,系統(tǒng)性地研究了 Ti-6A1-4V合金的高溫氧化機制、氧化動力學(xué)特性及氧化過程中的應(yīng)力變化情況。實驗結(jié)果證實了彎曲載荷對于鈦合金的氧化膜、滲氧層的不同作用,并與模型計算結(jié)果相比較,驗證了模型的準(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)用于元素擴散的研究領(lǐng)域。借助傅里葉變換,求解了關(guān)于擴散性能的Esheby張量的閉合解,并由此求得了非均勻混合物的有效擴散張量。(5)基于細(xì)觀力學(xué),推導(dǎo)得到了合金元素擴散過程中微觀應(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,通過考慮有效彈性張量對元素濃度的依賴關(guān)系,建立力學(xué)平衡方程。同時,不同載荷對于應(yīng)力分布和擴散行為的影響也做了進(jìn)一步探討�；谠鼗瘜W(xué)式、有效擴散張量、有效彈性性能及應(yīng)力狀態(tài)之間的相互作用,建立了擴散行為與力學(xué)特性耦合作用下的擴散方程,實現(xiàn)了在宏觀和微觀兩個尺度下應(yīng)力狀態(tài)及元素濃度的耦合求解。該方程可視作對傳統(tǒng)Fick擴散定律的有效修正,提高了應(yīng)力狀態(tài)與元素濃度預(yù)測過程中的準(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG111.6

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 喬溪,張曉明;企業(yè)知識管理系統(tǒng)的模型框架及關(guān)鍵技術(shù)[J];北京石油化工學(xué)院學(xué)報;2004年01期

2 周志民,白云鵬,賴文彬,吳濤,秦勇,賈利民;基于MVC的空間分析服務(wù)模型框架及其應(yīng)用[J];中國鐵道科學(xué);2004年04期

3 王江波;;浙江食品安全指數(shù)即將推出[J];食品科技;2008年06期

4 楊洪明;;阻塞管理中交易調(diào)整模型的統(tǒng)一描述及其對比分析[J];長沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2007年04期

5 鐘波;陳珂;;運用基于Bayes估計的閾值模型計算VaR[J];北京工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年05期

6 張昊宇;陳安;;應(yīng)急救災(zāi)三方博弈模型研究[J];電子科技大學(xué)學(xué)報(社科版);2011年03期

7 ;[J];;年期

相關(guān)會議論文 前7條

1 馬運全;;金融創(chuàng)新與制度環(huán)境:模型框架與實證分析[A];2011年（第九屆）“中國法經(jīng)濟學(xué)論壇”論文集[C];2011年

2 金偉新;肖田元;胡曉峰;馬亞平;;戰(zhàn)爭CAWSOM模型[A];中國系統(tǒng)仿真學(xué)會第五次全國會員代表大會暨2006年全國學(xué)術(shù)年會論文集[C];2006年

3 柯嵩;韓亮;;CGF系統(tǒng)中的情緒模型及實現(xiàn)方法初探[A];第五屆全國仿真器學(xué)術(shù)會論文集[C];2004年

4 王秀敏;應(yīng)益榮;;MWZ模型框架下的交易者互動模型研究[A];第二屆中國智能計算大會論文集[C];2008年

5 岳永;;強制性制度變遷、意識形態(tài)與經(jīng)濟績效——一個關(guān)于中俄改革分析的模型框架[A];中國制度經(jīng)濟學(xué)年會論文集[C];2003年

6 劉穎斐;余玉苗;;基于風(fēng)險控制價值的獨立審計定價模型框架[A];中國會計學(xué)會2006年學(xué)術(shù)年會論文集（上冊）[C];2006年

7 陳宏;黃洪;;ERP實施就緒度模型(IRM-ERP)設(shè)計與研究[A];全國第十屆企業(yè)信息化與工業(yè)工程學(xué)術(shù)年會論文集[C];2006年

相關(guān)重要報紙文章 前1條

1 海通股指期貨聯(lián)合研究中心 李子婧;基于BIRR模型的宏觀因子套利策略[N];期貨日報;2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前8條

1 王楨文;基于概率生成模型的社區(qū)發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分類方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 崔盛;帶投資收益的更新風(fēng)險模型的漸近分析及其應(yīng)用研究[D];浙江工商大學(xué);2016年

3 張洋;擴散與應(yīng)力耦合行為及模型研究[D];華東理工大學(xué);2017年

4 邢千里;搜索引擎用戶點擊模型研究[D];清華大學(xué);2014年

5 江濱;GHM模型的推論和擴展[D];東北財經(jīng)大學(xué);2013年

6 鮑群芳;基于對數(shù)均值回復(fù)模型的VIX建模[D];浙江大學(xué);2013年

7 曹京;有限溫有限密QCD的準(zhǔn)粒子模型研究[D];南京大學(xué);2012年

8 曹夢雪;嬰幼兒音位范疇習(xí)得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模研究[D];中國社會科學(xué)院研究生院;2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 高利翠;CIR模型的模擬及參數(shù)估計分析研究[D];上海交通大學(xué);2015年

2 魏逸;基于概率生成模型的用戶行為預(yù)測[D];上海交通大學(xué);2015年

3 李攀杰;基于概率統(tǒng)計和結(jié)構(gòu)識別的多模型健康監(jiān)測方法[D];東南大學(xué);2015年

4 徐楊;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場模型及其應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

5 賈淑芹;算法交易、違約模型及其應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2016年

6 王旭睿;基于L_p(p<=1)范數(shù)的ARX模型[D];電子科技大學(xué);2016年

7 王碩;CreditMetrics模型在我國商業(yè)銀行信用風(fēng)險測量中的適用性研究[D];北京外國語大學(xué);2016年

8 龔元;基于認(rèn)知視覺注意模型的行人檢測[D];南京航空航天大學(xué);2016年

9 曹岑;基于社區(qū)和信任網(wǎng)絡(luò)的推薦模型的研究[D];東南大學(xué);2016年

10 吳家斌;E-Learning中的情緒模型及建模技術(shù)的研究[D];首都師范大學(xué);2012年

，

本文編號：1457078