【摘要】：粘彈塑性材料中的微孔增長和空化問題研究,可為高溫熱沖擊服役環(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,因此具有重要的學術(shù)研究價值。金屬材料在高溫熱沖擊下粘性效應更為顯著,并且微孔的增長需要考慮時間演化過程。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施了激光穿孔實驗,證實了強熱沖擊下高溫鎳基合金材料中微孔萌生的可能性。實驗觀察到原始完好的高溫合金材料在強激光熱沖擊作用下,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驗依據(jù)。2.應用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態(tài)增長問題的半解析-半數(shù)值解,分析了慣性效應和熱粘性效應對微孔增長的影響。3.考慮了初始的未屈服變形階段以及屈服后變形的動界面效應。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,建立了分時段、分區(qū)域的數(shù)學模型,并且采用時空變量的直接積分方法,將問題在數(shù)學上歸結(jié)為關(guān)于動界面位置函數(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界面帶來的非線性效應影響。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、屈服應力等參數(shù)對應力和位移時空分布、動界面演化、微孔隨時間動態(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,粘性會增強初始階段和孔壁附近的應力集中,微孔增長響應的粘性效應會更加明顯,同時起到了遲滯和阻尼作用。同時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)應變在已屈服區(qū)域考慮理想塑性大變形,建立了具有動界面的數(shù)學模型,給出相應的半解析-半數(shù)值解,最后在微孔原始半徑趨于零的極限狀態(tài)下,以鋁合金為例計算出了熱空化的臨界溫度為其熔點溫度的93%。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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、冶金、材料等各學科上都有大量的文獻逡逑研究。在核電、焊接、航空發(fā)動機點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，損傷會進一步演化，最逡逑終導致宏觀破壞。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、化學等耦合復雜加載下，會在晶界、碳化物等位置處發(fā)生屈服變形，逡逑進而形成微孔，進一步的加載，微孔貫穿形成微裂紋如圖１－１。逡逑

逑的耦合效應導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，并且逡逑已有文獻證明這些孔洞是造成宏觀機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)進行ｏ．３ｒｍ邋（ｒｍ為熔點溫度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重要的領(lǐng)域就是航空發(fā)逡逑動機用的鎳合金材料。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用最廣、高溫強度最高的一類合金

逑的耦合效應導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，并且逡逑已有文獻證明這些孔洞是造成宏觀機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)進行ｏ．３ｒｍ邋（ｒｍ為熔點溫度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重要的領(lǐng)域就是航空發(fā)逡逑動機用的鎳合金材料。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用最廣、高溫強度最高的一類合金

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