高溫環(huán)境下材料的拉伸力學(xué)性能測試

2023/2/51高溫環(huán)境下熱障涂層材料的拉伸力學(xué)性能測試分析主講教師：毛衛(wèi)國2023/2/52實驗?zāi)康牧私飧邷丨h(huán)境下材料拉伸試驗的原理。掌握金屬材料常用力學(xué)性能指標(biāo)的測量和計算處理方法，加深對其物理意義的理解。熟悉試驗方法的拉伸試樣、試驗步驟及試驗設(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程。2023/2/53介紹力學(xué)性能有關(guān)的數(shù)據(jù)測量和計算方法及應(yīng)用范圍。測量金屬材料的屈服強度、抗拉強度、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)測溫度梯度變化情況和記錄歷史溫度。學(xué)會用圖像采集儀器監(jiān)視熱障涂層界面拉伸破壞過程。了解萬能拉伸機的構(gòu)造和工作原理，掌握其使用方法。實驗內(nèi)容2023/2/54實驗步驟與方法1、制備拉伸樣品樣品成分設(shè)計：基底材料：SUS304，80×10×2mm過渡層材料：NiCrAlY，100μm陶瓷涂層材料：ZrO2-8wt%Y2O3，200μm，300μm，400μm2023/2/552、實驗設(shè)備和儀器萬能材料試驗機一臺；拉力傳感器和位移傳感器各一個；標(biāo)定器一臺，游標(biāo)卡尺；6個測試點的熱電偶測溫裝置及采集軟件；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、實驗步驟與方法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驗樣品，即設(shè)計合理的雙層熱障涂層實驗樣品尺寸，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渡層，并對試樣進(jìn)行編號；用游標(biāo)卡尺測量試樣橫截面尺寸和有效長度。2023/2/572)試驗設(shè)備和儀器的準(zhǔn)備①萬能材料試驗機的準(zhǔn)備步驟是：首先打開儀器的總電源和啟動計算機，打開相應(yīng)的控制軟件，等待5分鐘以消除溫度和濕度對傳感器的影響。然后進(jìn)行聯(lián)機操作，并進(jìn)行簡單調(diào)試和測試，如儀器正常，則可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。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，并用直角測量工具校對拉伸樣品是否嚴(yán)格垂直與下面的拉伸夾具表面。然后在移動萬能試驗機的橫梁，以便把拉伸樣品另一端安裝在上面的夾具上，這個過程建議在較慢的速度下進(jìn)行。安裝好樣品之后，通過計算機控制采集軟件，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)、停機條件)，至此拉伸樣品安裝完畢。2023/2/58

②

組裝好熱電偶測溫裝置，并連接好相應(yīng)的接線。通過其它夾具輕輕地把熱電偶測溫探頭接觸在拉伸樣品的各個測試點，測試點一般為：陶瓷表面、陶瓷截面、樣品的橫截面以及基底底部。最后利用計算機控制溫度采集軟件，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。然后打開氧氣瓶和乙炔瓶的總閥，通過調(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。2023/2/59在1000oC高溫梯度下，熱障涂層界面拉伸破壞過程3)實驗操作2023/2/510高溫拉伸實驗后，剝落部分下表面形貌觀察

通過EDX觀察分析，其材料成分主要為過渡層材料(NiCrAlY)，沒有發(fā)現(xiàn)陶瓷涂層材料成分。這說明對于這類拉伸破壞，其界面斷裂位置位于過渡層內(nèi)。但是在本論文拉伸實驗中，發(fā)生這類破壞情況的樣品比例僅僅占5%。3、實驗結(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，涂層可以通過自身的應(yīng)變?nèi)菹迊碚{(diào)整；但是當(dāng)拉伸載荷超過涂層破壞閾值時，在涂層內(nèi)就會產(chǎn)生第一條橫向裂紋，同時其它橫向裂紋也會迅速萌發(fā)、擴展，這時橫向裂紋數(shù)量會急劇增加；隨著拉伸載荷再增大，超過了基底材料的屈服極限時，橫向裂紋會不斷地向涂層中央擴展，形成很大的貫穿寬度方向的橫向裂紋；但是這時裂紋數(shù)量已經(jīng)增加緩慢，并開始飽和，曲線隨著變形增大而開始趨于平緩。2023/2/5141、說明本實驗所用設(shè)備及儀器的型號與特性。

2、分析拉伸過程中載荷大小、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，并對關(guān)鍵點的力學(xué)意義進(jìn)行