【摘 要】
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随着科学技术的发展,各类材料使用工况越发复杂,传统的材料力学试验机难以有效研究揭示复杂载荷环境下材料的力学行为和损伤机制,制约了材料研发工艺改进和质量严控。复杂工况下材料力学性能测试的重大需求为材料力学试验技术提供了新的机遇和挑战。作为材料科学研究的利器,中子衍射技术虽被越来越多的国内外学者重视与应用,但可用于中子衍射谱仪的变温力学加载装置鲜见报道,这大大制约了相关研究进程。研制具有宽温域连续变温
【基金项目】
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国家重点研发计划重大仪器项目:高温高频材料力学性能原位测试仪器开发与应用,2018YFF01012406,2018.10-2021.12； 国家杰出青年科学基金项目:材料微观力学性能原位测试原理与技术,51925504,2020.01-2024.12； 国防项目:高温/复杂载荷下放热复合材料的原位测试与虚拟测试试验技术研究,414
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随着科学技术的发展,各类材料使用工况越发复杂,传统的材料力学试验机难以有效研究揭示复杂载荷环境下材料的力学行为和损伤机制,制约了材料研发工艺改进和质量严控。复杂工况下材料力学性能测试的重大需求为材料力学试验技术提供了新的机遇和挑战。作为材料科学研究的利器,中子衍射技术虽被越来越多的国内外学者重视与应用,但可用于中子衍射谱仪的变温力学加载装置鲜见报道,这大大制约了相关研究进程。研制具有宽温域连续变温功能的中子衍射力学加载装置,有助于深入开展先进材料服役条件下损伤演化机理的研究,可为我国航空航天、国防军工等重要领域关键材料研发与性能测试保障提供重要支撑,具有重要的科学意义与应用价值。面向上述需求,本文在构建材料实际服役条件的温度环境的基础上,创新性地将中子衍射技术引入测试体系,设计研制了变温环境下材料力学性能测试装置。围绕上述工作,论文的主要研究内容如下:针对国内外变温条件下力学性能测试技术与装置的不足,根据技术指标要求完成了系统功能与方案设计。通过分析对比多种加热、制冷方式的优缺点,拟定了以感应加热和液体气化制冷方式对试件实现高/低温加载,设计了高低温加载模块,采用COMSOL热分析与ANSYS WORKBENCH流体分析模块,对所设计的高低温加载模块分别开展了温度场仿真分析,进而对其进行了优化设计。在比对分析多种力学加载方式优缺点的基础上,拟定了电机—丝杠的方式实现力学加载。论文根据系统设计方案,对包括加载装置的力学模块、高/低温加载模块、电气控制模块等模块在内的结构进行了具体结构设计。通过LABVIEW软件编写系统控制软件,实现了系统的电气控制,通过自抗扰控制和阻抗控制方法实现了系统高/低温闭环和力学加载闭环控制。论文对高温、低温加载模块和力学加载模块分别开展了标定校准与功能验证试验,论文所研制的测试装置可实现不小于15k N的力学载荷加载,RT～1000℃的高温加载范围,4℃以内的高温加载控温精度,-180℃～200℃的低温加载范围,5℃以内的低温加载控温精度和不超过5℃的试件温度梯度。论文以航空航天用6061T6铝合金作为研究对象,利用研制的测试装置,开展了高温、低温和变温条件下的一系列材料力学性能测试分析。试验结果表明:6061T6铝合金的抗拉强度随着温度的升高而降低,伸长率和断口收缩率升高,塑性越好,变温条件下6061T6铝合金的抗拉强度有所变化;断口收缩率在高温时比恒温条件下断口收缩率有明显提升,但随着温度的降低,差值逐渐减小,推测低于某个温度点后断口收缩率将低于恒温条件下的断口收缩率;伸长率在低温时比恒温条件下伸长率有明显提升,推测超过某个温度点后伸长率将低于恒温条件下的伸长率。论文研究成果对丰富材料力学性能原位测试技术具有一定的科学意义和应用价值,同时对拓展中子谱仪大科学装置的功能也是一次有益的实践。
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