小型冲压蠕变试验方法研究

摘要

小型冲压蠕变试验技术是一种采用微小试样评价材料的高温蠕变性能的新方法，该方法具有几乎无损取样的优势，非常适用于无法取出传统试样或取样不经济的场合，将是未来对服役材料进行失效预测与寿命评估的重要方法，在核工业、航空航天、电力、石油化工等领域中具有广阔的应用前景。 本文针对小型冲压蠕变试验技术目前存在的问题展开了基础理论、数值模拟和试验应用三方面的研究，主要工作和结论如下：在理论研究方面，本文首先采用薄板弯曲蠕变模型，推导了试样中心挠度率与外载荷的关系式，建立了材料蠕变应力指数的计算公式和评价方法；然后采用薄膜拉伸模型，依据几何关系推导了试样中心挠度与等效应变、载荷与等效应力的关系，建立了小型冲压蠕变试验与传统单轴拉伸蠕变实验结果之间的关联性。 在数值模拟研究方面，本文首先建立了小型冲压蠕变试验的有限元模型并通过与实验结果的比较验证了模型的正确性；然后基于数值模拟得到的试样中心挠度率，结合外载荷计算得到了12CrlMoV钢和含Cr9％的钨合金钢的蠕变应力指数，通过与输入参数的比较验证了材料蠕变应力指数理论公式的有效性；进一步通过对试样变形、应力和应变状态的分析，讨论了小型冲压蠕变试验有效的机理；最后，研究了冲压球与试样间的摩擦系数、试样厚度、冲压球直径和下模孔直径等因素对试样中心挠度、等效蠕变应变、等效应力、最小挠度率以及断裂时间的影响。分析结果表明，摩擦对试验结果的影响较小，可忽略不计，而试样厚度、冲压球直径和下模孔直径的改变对试验结果的影响都很大，因此，在进行小型冲压蠕变试验时应确保试样和模具几何尺寸的加工精度。 在试验应用研究方面，本文首先对SUS304不锈钢在600℃温度下进行了系列小型冲压蠕变试验，获得了试样中心挠度一时间曲线，该曲线与传统单轴蠕变实验的蠕变曲线非常相似。利用本文建立的蠕变应力指数理论公式和实验结果，得到SUS304.材料的蠕变应力指数n=8.058，与单轴拉伸蠕变实验得到的n值(8.297)基本一致，相对误差为2.9％。这一实验结果表明：采用小型冲压蠕变试验方法和本文建立的理论公式，可以获得与传统单轴实验有良好一致性的蠕变应力指数。本文进一步将小型冲压蠕变试验进行推广，首次对陶瓷材料(多孔Si<,3>N<,4>陶瓷)和陶瓷/金属复合材料(Si<,3>N<,4>/Ni)进行了小型冲压蠕变试验，发现多孔Si<,3>N<,4>陶瓷和Si<,3>N<,4>/Ni复合材料在一定的温度下都有非常明显的蠕变现象，与金属材料的挠度曲线不同，多孔Si<,3>N<,4>陶瓷和Si<,3>N<,4>/Ni复合材料试样中心挠度曲线的第一、第二阶段分界并不明显。利用本文建立的理论公式，多孔Si<,3>N<,4>陶瓷和Si<,3>N<,4>/Ni复合材料的蠕变应力指数分别为5.19和2.1。本文通过理论研究建立了材料蠕变应力指数的计算公式以及小型冲压蠕变试验与传统单轴拉伸蠕变实验数据之间的关联性，奠定了小型冲压蠕变试验的理论基础。通过数值模拟研究验证了理论公式的有效性，并讨论了小型冲压蠕变试验有效的机理及各影响因素对实验结果的影响。在实验研究中应用本文建立的理论公式获得了金属材料、陶瓷材料和金属/陶瓷复合材料的蠕变应力指数。本文的研究成果表明，采用小型冲压蠕变试验法测试材料的蠕变性能参数是一种有效、方便和可靠的方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2小型冲压试验技术研究进展

1.2.1小型冲压试验技术起源及原理

1.2.2小型冲压试验技术发展及应用

1.3小型冲压蠕变试验技术研究现状

1.3.1小型冲压蠕变试验技术研究进展

1.3.2小型冲压蠕变试验技术的数值模拟

1.3.3小型冲压蠕变试验技术应用前景及存在的问题

1.4本文主要研究内容与技术路线

1.4.1研究目标

1.4.2主要研究内容

1.4.3研究方法和技术路线

第2章小型冲压蠕变试验的理论基础研究—薄板弯曲蠕变模型

2.1引言

2.2材料蠕变应力指数n值的理论公式

2.3试样中心挠度与等效应变的关系

2.4等效应力与外载荷之间的关系

2.5小结

第3章小型冲压蠕变试验的理论基础研究—薄膜拉伸模型

3.1引言

3.2基于薄膜拉伸模型建立试样中心挠度与等效应变的关系

3.2.1薄膜拉伸模型

3.2.2试样中心等效应变的计算公式

3.2.3试样中心挠度的计算公式

3.2.4试样中心挠度与等效应变的关系

3.3试样中心等效应力与外载荷的关系

3.4小结

第4章小型冲压蠕变试验数值模拟研究

4.1引言

4.2 MARC有限元软件和小型冲压蠕变试验有限元模型

4.2.1 MARC有限元软件

4.2.2小型冲压蠕变试验装置

4.2.3小型冲压蠕变试验的有限元模型

4.3有限元模型有效性验证

4.3.1有限元分析得到的试样中心挠度曲线与试验结果的比较

4.3.2试样的变形分析

4.3.3有限元分析得到的蠕变性能参数与实验结果的比较

4.4基于试样中心挠度和外载荷评价材料的蠕变性能

4.5小型冲压蠕变试验的可行性机理分析

4.5.1等效应变分析

4.5.2试样中心挠度与等效应变的关系

4.5.3等效应力分析

4.5.4等效应力与外载荷的关系

4.6 小结

第5章小型冲压蠕变试验影响因素分析

5.1引言

5.2摩擦对试验结果的影响

5.3试样厚度对试验结果的影响

5.4冲压球大小对试验结果的影响

5.5下模孔直径大小对试验结果的影响

5.6 小结

第6章小型冲压蠕变试验的应用研究

6.1引言

6.2小型冲压蠕变试验系统

6.2.1加载系统

6.2.2加热及温度控制系统

6.2.3试样夹具

6.2.4位移测试系统

6.3金属材料的小型冲压蠕变试验

6.3.1试验方案与试样制作

6.3.2试验结果与分析

6.4多孔Si3N4陶瓷材料的小型冲压蠕变试验

6.4.1试验方案与试样制作

6.4.2试验结果与分析

6.5 Si3N4/Ni陶瓷/金属复合材料的小型冲压蠕变试验

6.5.1试验方案与试样制作

6.5.2试验结果与分析

6.6小结

第7章结论与展望

7.1全文工作总结

7.2展望

参考文献

附录

致谢