高溫環(huán)境下材料的拉伸力學(xué)性能測(cè)試

2023/2/51高溫環(huán)境下熱障涂層材料的拉伸力學(xué)性能測(cè)試分析主講教師：毛衛(wèi)國(guó)2023/2/52實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私飧邷丨h(huán)境下材料拉伸試驗(yàn)的原理。掌握金屬材料常用力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)量和計(jì)算處理方法，加深對(duì)其物理意義的理解。熟悉試驗(yàn)方法的拉伸試樣、試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)設(shè)備的使用。了解熱障涂層材料系統(tǒng)及其界面拉伸破壞過(guò)程。2023/2/53介紹力學(xué)性能有關(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)量和計(jì)算方法及應(yīng)用范圍。測(cè)量金屬材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率。熟悉氧乙炔加熱和高溫電爐加熱裝置，并利用熱電偶監(jiān)測(cè)溫度梯度變化情況和記錄歷史溫度。學(xué)會(huì)用圖像采集儀器監(jiān)視熱障涂層界面拉伸破壞過(guò)程。了解萬(wàn)能拉伸機(jī)的構(gòu)造和工作原理，掌握其使用方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2023/2/54實(shí)驗(yàn)步驟與方法1、制備拉伸樣品樣品成分設(shè)計(jì)：基底材料：SUS304，80×10×2mm過(guò)渡層材料：NiCrAlY，100μm陶瓷涂層材料：ZrO2-8wt%Y2O3，200μm，300μm，400μm2023/2/552、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)；拉力傳感器和位移傳感器各一個(gè)；標(biāo)定器一臺(tái)，游標(biāo)卡尺；6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的熱電偶測(cè)溫裝置及采集軟件；視頻監(jiān)視設(shè)備及采集軟件；氧乙炔高溫加熱裝置及其配套工具等。2023/2/563、實(shí)驗(yàn)步驟與方法1)試樣的準(zhǔn)備

首先用線切割方法制備標(biāo)準(zhǔn)的鎳基高溫合金拉伸樣品，然后再制備熱障涂層實(shí)驗(yàn)樣品，即設(shè)計(jì)合理的雙層熱障涂層實(shí)驗(yàn)樣品尺寸，選擇符合要求的各層材料成分，選用等離子噴涂工藝制備陶瓷涂層和過(guò)渡層，并對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)；用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣橫截面尺寸和有效長(zhǎng)度。2023/2/572)試驗(yàn)設(shè)備和儀器的準(zhǔn)備①萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備步驟是：首先打開(kāi)儀器的總電源和啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開(kāi)相應(yīng)的控制軟件，等待5分鐘以消除溫度和濕度對(duì)傳感器的影響。然后進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，并進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試和測(cè)試，如儀器正常，則可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。小心安裝拉伸夾具，用銷釘固定好夾具與支座。然后在軟件控制界面上清除載荷欄內(nèi)的數(shù)值，以消除上拉伸夾具的重量對(duì)拉伸試樣的影響。安裝拉伸樣品，具體方法是先把樣品一端安裝在下面的拉伸夾具，并用直角測(cè)量工具校對(duì)拉伸樣品是否嚴(yán)格垂直與下面的拉伸夾具表面。然后在移動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的橫梁，以便把拉伸樣品另一端安裝在上面的夾具上，這個(gè)過(guò)程建議在較慢的速度下進(jìn)行。安裝好樣品之后，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制采集軟件，適當(dāng)?shù)慕o樣品以初始載荷(一般為1N)，并進(jìn)行相關(guān)詳細(xì)拉伸設(shè)置(如傳感器的方向、控制方式(載荷控制、速度控制和位置控制)、停機(jī)條件)，至此拉伸樣品安裝完畢。2023/2/58

②

組裝好熱電偶測(cè)溫裝置，并連接好相應(yīng)的接線。通過(guò)其它夾具輕輕地把熱電偶測(cè)溫探頭接觸在拉伸樣品的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)一般為：陶瓷表面、陶瓷截面、樣品的橫截面以及基底底部。最后利用計(jì)算機(jī)控制溫度采集軟件，并做好相應(yīng)的設(shè)置。③組裝好氧乙炔加熱裝置，具體方法是：連接好氧氣管和乙炔管，保證連接處嚴(yán)格密封。然后打開(kāi)氧氣瓶和乙炔瓶的總閥，通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣流量表和乙炔流量表，保證其混合氣體比例接近為1:2。然后調(diào)試氧乙炔噴槍的火焰，檢查是否能正常加熱。④組裝好圖像采集儀器和采集軟件，并調(diào)試以保證圖像清晰可見(jiàn)。2023/2/59在1000oC高溫梯度下，熱障涂層界面拉伸破壞過(guò)程3)實(shí)驗(yàn)操作2023/2/510高溫拉伸實(shí)驗(yàn)后，剝落部分下表面形貌觀察

通過(guò)EDX觀察分析，其材料成分主要為過(guò)渡層材料(NiCrAlY)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)陶瓷涂層材料成分。這說(shuō)明對(duì)于這類拉伸破壞，其界面斷裂位置位于過(guò)渡層內(nèi)。但是在本論文拉伸實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生這類破壞情況的樣品比例僅僅占5%。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2023/2/511其它類型拉伸破壞結(jié)果2023/2/512表面形貌觀察和成分確定熱力聯(lián)合作用下，熱障涂層界面拉伸破壞后SEM觀察EDX分析表明這類拉伸斷裂位置位于陶瓷涂層內(nèi)。2023/2/513熱力聯(lián)合作用下涂層拉伸界面破壞過(guò)程中橫向裂紋數(shù)量與位移的關(guān)系分析結(jié)論：當(dāng)拉伸載荷小于某一臨界載荷時(shí)，涂層可以通過(guò)自身的應(yīng)變?nèi)菹迊?lái)調(diào)整；但是當(dāng)拉伸載荷超過(guò)涂層破壞閾值時(shí)，在涂層內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生第一條橫向裂紋，同時(shí)其它橫向裂紋也會(huì)迅速萌發(fā)、擴(kuò)展，這時(shí)橫向裂紋數(shù)量會(huì)急劇增加；隨著拉伸載荷再增大，超過(guò)了基底材料的屈服極限時(shí)，橫向裂紋會(huì)不斷地向涂層中央擴(kuò)展，形成很大的貫穿寬度方向的橫向裂紋；但是這時(shí)裂紋數(shù)量已經(jīng)增加緩慢，并開(kāi)始飽和，曲線隨著變形增大而開(kāi)始趨于平緩。2023/2/5141、說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及儀器的型號(hào)與特性。

2、分析拉伸過(guò)程中載荷大小、應(yīng)變大小、溫度數(shù)值之間的關(guān)系，建立應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的力學(xué)意義進(jìn)行