金属材料温度相关性弹性模量、屈服强度及单相陶瓷抗热冲击性能研究

摘要

随着现代科技的快速发展，拓展服役条件的需求愈发强烈，材料的高温服役性能成为各领域关注的核心问题。深刻理解高温环境下的材料力学性能，不仅是探索材料在极端环境中的响应及失效机理的基础研究，也是关乎国家战略安全与重大灾害预防的迫切需求。本文采用理论、实验和数值模拟方法对金属材料温度相关性的弹性模量、固溶强化合金材料温度相关性的屈服强度以及单相陶瓷材料的抗热冲击性能进行了研究，开展的主要研究工作如下：　　① 建立了不含任何拟合参数的温度相关性弹性模量理论表征模型，并在金属块体材料不同温度下的杨氏模量、弹性常数和剪切模量的理论预测上得到了很好的应用及验证。模型建立了温度相关性弹性模量、热膨胀系数、热容（或德拜温度）和熔点之间的定量关系。此模型提供了一种新的简便的温度相关性弹性模量预测方法：通过一个容易获取的温度下的弹性模量可对宽温域下的特别是较难获取的超高温或极低温下的弹性模量做出方便地预测。进一步，将研究温度相关性弹性模量的方法拓展应用于温度相关性表面张力的理论表征，针对均质液体材料建立了一个不含拟合参数的温度相关性表面张力系数理论表征模型，并得到了目前获取到的全部15种纯液体材料的实验验证。该模型建立了表面张力系数、沸点、汽化热、热容和线膨胀系数之间的定量关系，揭示了液体材料的表面张力大多数随温度升高呈近似线性降低的现象与其温度相关性定容热容为常数或近似为常数的相关性。　　② 通过定量考虑基体屈服强度、固溶强化和晶界强化对合金屈服强度的贡献及其随温度的演化，对固溶强化二元和多元合金分别建立了相应的温度相关性屈服强度理论表征模型，并在宽温域下得到了实验的很好验证。基于建立的固溶强化二元合金温度相关性屈服强度模型分析了固溶强化合金材料的屈服强度对尺寸错配的敏感性及其随温度的演化。此外，基于所建立的固溶强化合金温度相关性屈服强度模型分别分析了合金中各项机制对屈服强度的贡献及其随温度的演化，进一步对提高合金材料高温屈服强度提供了有益建议。　　③ 通过实验、理论和数值模拟相结合的方法对陶瓷材料抗热冲击性能进行了系统研究。实验发现了常用的热冲击实验方法中常常存在的机械冲击对陶瓷材料抗热冲击性能实验表征结果存在的显著影响，并通过设计及开展系列有针对性的实验，系统研究了实验过程中存在的机械冲击对陶瓷材料抗热冲击性能实验表征结果的影响，并分析了其影响机理，给出了相应的改善措施。针对高超声速飞行器超高温陶瓷热防护材料的复杂使役环境，以HfB2超高温陶瓷材料为例，考虑材料失效准则和热物理性能的温度相关性，建立了其复杂热冲击环境下抗热冲击性能数值模拟方法，研究了主动冷却情形下不同热交换系数、约束情况和热冲击初始环境温度对超高温陶瓷材料抗热冲击性能的影响。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 科学问题及研究现状

1.2.1 金属材料的温度相关性弹性模量

1.2.2 固溶强化合金的温度相关性屈服强度

1.2.3 陶瓷材料的抗热冲击性能

1.3 本文研究的主要工作

2 温度相关性弹性模量及表面张力理论表征模型

2.1.1 模型的建立

2.1.2 金属单质温度相关性弹性模量的验证

2.1.3 高温合金温度相关性弹性模量的验证

2.2.1 模型的建立

2.2.2 液态化合物温度相关性表面张力的验证

2.2.3 液态金属单质温度相关性表面张力的验证

2.3 本章小结

3 固溶强化镍基合金温度相关性屈服强度理论表征模型

3.1 温度相关性屈服强度理论表征模型

3.1.1 基体材料贡献

3.1.2 固溶强化贡献

3.1.3 晶界强化贡献

3.1.4 模型的建立

3.2 温度相关性屈服强度理论表征模型的验证

3.2.1 固溶强化二元合金温度相关性屈服强度

3.2.2 固溶强化多元合金温度相关性屈服强度

3.3 各项机制对屈服强度贡献的温度相关性分析

3.3.1 固溶强化二元合金各项机制对屈服强度贡献的温度相关性

3.3.2 固溶强化多元合金各项机制对屈服强度贡献的温度相关性

3.4 本章小结

4 热冲击过程中机械冲击对陶瓷材料热冲击行为的影响

4.1 引言

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验步骤

4.2.3 裂纹长度统计方法

4.2.4 三点弯残余强度测试

4.3 实验结果及讨论

4.3.1 机械冲击对试件表面热冲击裂纹的影响

4.3.2 机械冲击对试件淬火残余强度的影响

4.4 本章小结

5 计及外界约束的主动冷却情形下超高温陶瓷抗热冲击性能

5.1 主动冷却

5.2 数值建模

5.2.1 材料参数

5.2.2 失效判据

5.3 模型的验证

5.4 抗热冲击性能影响因素分析

5.4.1 热冲击初始环境温度对超高温陶瓷材料抗热冲击性能的影响

5.4.2 热交换系数对超高温陶瓷材料抗热冲击性能的影响

5.4.3 外界约束对超高温陶瓷材料抗热冲击性能的影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续研究工作的展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的部分论文

B. 作者在攻读学位期间申请并已公开的部分发明专利

C. 作者在攻读学位期间主持及参加的科研项目情况

D. 学位论文数据集:

致谢