高温环境下含界面材料梯度材料与时间相关的破坏理论乌兰浩特

高温环境下含界面材料/梯度材料与时间相关的破坏理论

高温环境下含界面材料/梯度材料与时间相关的破坏理论 2011年12月09日 来源： 材料是机械产品的基础，材料技术日新月异的发展因此也给机械科学带来了前所未有的机遇与挑战，同时许多机械科学问题的解决又直接促进了材料技术的进步。如材料的界面问题，是金属材料焊接、高聚物材料粘接、复合材料层间胶接以及电子材料钎焊等工艺过程所无法回避的问题。材料的界面对材料粘弹性力学行为有重要的影响，如金属焊缝在高温环境下，在焊缝界面附近出现应力和形变的集中，导致接头未达设计寿命而先行断裂；高聚物粘接接头和树脂基复合材料接头在大型装置中的使用经验还较少，但破坏案例亦不鲜见, 特别是在热环境下其强度降低很显著，影响着长期使用寿命。近年来材料表面处理技术的发展，特别是纳米表面工程的出现，也给机械科学提出了许多新的难题, 现代表面工程可以根据服役需要制备出成分和性能沿厚度方向变化的梯度材料；同时材料在化学环境的使用过程中，会发生化学元素渗入，亦会形成表面梯度，如何预测梯度材料的破坏是表面科学技术工程应用和材料技术自身发展所无法回避的问题（S. Suresh, SCIENCE, June 2001, 292(29), 2447）。因此进行含界面材料与梯度材料的时间相关破坏理论的研究是材料科学和机械科学发展的共同需求。从现实的角度看，进一步研究接头界面的影响一方面可以加速新材料在机械产品中的应用，同时可为我国十五攻关项目"高温环境下在用压力容器检测与安全评估技术研究(专题)"提供坚实的理论基础，形成我国特色的高温结构设计与完整性评定规范；而对表面梯度材料在高温下破坏机理的研究，可为表面再制造工程提供质量控制和安全寿命设计的理论依据，促进绿色再制造工程技术在大型工业装置中的应用，并达到控制高温下破坏的目的。 对于金属接头问题申请者经过长期的努力和国际合作，采用损伤力学理论演绎焊接接头的损伤集中过程，可以较准确地得到接头的寿命，已从高温下焊缝的失效分析进入到设计控制阶段。必须指出的是，先前的研究工作主要是基于接头初始状态完好的前提下的，但实际的接头大多有缺陷，损伤的累积亦导致新的裂纹出现，这些缺陷的扩展速率是判断服役构件能否继续使用的重要依据。但是目前的粘弹性断裂理论或时间相关的断裂力学理论(TDFM, Time Dependent Fracture Mechanics，Saxena A., 1989)是基于材料为宏观均匀的，能否用于含裂纹的不均质界面材料缺乏必要的理论和试验的研究。出于高温结构设计的迫切需要，欧洲共同体工业技术基础研究基金于1995发起了新的研究计划"高温缺陷评定"（HIDA, HIgh temperature Defect Assessment, BE1702），由欧洲9国12个单位联合攻关。进行了大量的金属焊接接头蠕变裂纹扩展试验，但是由于缺乏界面对裂纹扩展影响的认识，在关联数据时他们只得采用美国试验与材料学会推荐的标准高温断裂力学参量C* 或Ct, 这一标准方法主要是基于现行的时间相关的断裂力学理论，并没有计及材料界面及其不均匀性的影响，由此关联出来的裂纹扩展速率是否真实描述材料性质也就很令人怀疑。申请者近年来开始研究材料界面对时间相关断裂力学参量的影响，提出了修正的C*参量，并针对不同材料组合计算了修正系数（Engineering Fracture Mechanics, 1999, 64(6), 765），并通过焊接接头蠕变裂纹扩展试验检验了传统方法的误差（Key Engineering Materials, 2000, 171-174, 51），初步发现了材料界面和不均匀性对材料高温断裂特性的影响。为界面材料和梯度材料破坏的力学描述提供了一定的基础。但是这一参量的普适性需要更多研究工作的支持。对于梯度材料性能的研究，比界面材料的研究要少得多，两者的共同点是材料是变化的，前者连续变化，后者则是突变的，它们在高温下都有应力重分布和损伤局部化的问题。目前对梯度材料也开始了一些试验测量的研究工作，但多集中在常温下。高温下日本学者Ogino等人对纳米晶粒合金进行过压蠕变的试验(Metall. & Maters. Trans. B, 1997, 28, 299)。对于表面梯度材料应用于工业装置后的性能变化的评价则还未见研究工作。在北美，尽管采用电沉积制备的Ni基微合金纳米晶体涂层已应用于核蒸汽发生器的修复，由于缺乏服役后性能变化的预测，要推广应用该技术还有很大难度。特别是在反应性环境下，如高温高压超临界水氧化，化学反应与元素扩散对梯度材料损伤的影响还无法评估，因此如何根据有限的试验数据预测表面材料服役效能是难点所在。 研究高温环境下含界面材料及梯度材料与时间相关的破坏理论，包括两个方面的内容。一方面致力于研究非均质界面材料与时间相关断裂理论，通过精确定量材料界面影响，合理描述裂尖非弹性区和扩展速率，修正与时间相关的断裂理论，研究成果可应用于国际测试标准的修订和我国高温结构完整性评定规范的制定。另一方面，致力于建立梯度材料在高温化学环境下与时间相关的破坏理论，通过多尺度模拟技术和先进测试手段研究表面梯

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