薄膜基体系统的力学性能测试方法及其应用研究.pdf

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1、学校代码10699分类号TB321密级公开学号2008100086题目薄膜/基体系统的力学性能测试方法及其应用研究作者温世峰学科、专业固体力学指导教师岳珠峰申请学位日期2011年3月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目薄膜/基体系统的力学性能测试方法及其应用研究作者：温世峰学科专业：固体力学指导教师：岳珠峰二零一一年三月AThesisSubmittedforDoctor’sDegreeInvestigationandApplicationofthemethodstoobtainingthemechanicalpropertiesofthinfilm/subs

2、tractsystembyWenShifengSupervisedbyProf.YueZhufengSchoolofMechanics,CivilEng.&ArchitectureNorthwesternPolytechnicalUniversityXi’anP.R.ChinaMarch2011摘要摘要高温压痕弯曲蠕变测试方法作为一种测试方法，在材料蠕变特性的确定、高温材料的研究方面发挥了重要作用，它解决了常规蠕变试验无法完成的任务，为蠕变性能的测试开辟了新途径。本文采用有限元计算和实验研究相结合的方法，对高温压痕弯曲蠕变测试的试验方法、理论基础、蠕变响应、测试结

3、果影响分析及其应用进行了较为系统深入的研究，主要工作有以下几个方面：1.本文对压痕弯曲试验测试材料蠕变参数的方法进行了理论推导。采用有限元方法对压痕弯曲蠕变行为进行了有限元计算。研究了试件变形和蠕变时间的关系。在上述研究的基础上，给出了确定蠕变参数B和n的数值方法，引入单相材料，验证了运用压痕弯曲试验测材料蠕变参数的可行性。同时通过有限元计算考虑支点与试件、压头与试件间的摩擦系数对测试结果的影响。2.将压痕弯曲蠕变测试方法运用到热障涂层领域，为确定热障涂层系统各层蠕变参数以及不同热增长层（TGO）厚度和考虑存在损伤情况存在时对蠕变参数获得产生的影响进行了分析。3.

4、针对试样制备时可能产生的残余应力问题和表面粗糙度问题以及蠕变损伤对高温压痕弯曲蠕变测试结果产生的影响进行了分析研究。比较了存在不同拉伸和压缩残余应力的情况下，试件的应力分布情况，以及残余应力对弯曲挠度和弯曲挠度率的影响。针对试件表面存在不同表面粗糙度问题研究了不同粗糙度对应力分布、界面净应力以及弯曲蠕变参数获得的影响。4.针对高温环境下，试样的老化和寿命问题，提出了采用本文给出的压痕三点弯曲测试方法确定材料的剩余寿命的方法。此方法是基于K-R损伤模型和Gurson损伤模型建立的，同时文中给出了具体的分析方法和相关结论。5.对于给定厚度的薄膜层，研究了界面处最大Vo

5、nMises应力的分布情况及其随着薄膜-基体弹性模量比的变化情况，同时研究了最大剪切应力随弹性模量比的变化情况。于此同时，研究了固定薄膜-基体弹性模量比的情况下，I西北工业大学博士学位论文界面处的最大VonMises应力和最大剪切应力随着薄膜层厚度变化情况。最后还研究了稳态挠度率随薄膜厚度和薄膜-基体弹性模量比的变化情况。对于弹塑性模型，考虑了不同摩擦系数对挠度的影响。还有不同摩擦系数对界面处径向Mises应力的影响。由研究结果可以证明摩擦系数的影响并不明显。同时还考虑了薄膜厚度和硬化模量对界面应力分布的影响。研究结果表明，在同一挠度下，较薄的薄膜需要较高的应力。

6、针对热障涂层材料，给出了热残余应力的有限元分析模型，由分析结果可以得出残余应力的分布情况，以及随着TGO层(热氧化层)的增厚，残余应力的分布情况，为后续的界面断裂分析奠定了基础。6.利用晶体塑性滑移蠕变理论对压痕弯曲蠕变和单轴拉伸蠕变进行了有限元模拟。主要研究了晶体取向对压痕弯曲蠕变行为和单轴拉伸蠕变行为的影响。7.推导了弹塑性半无限大体压痕疲劳载荷作用下的压痕载荷－压入位移表达式。关系式揭示出弹塑性材料的压入位移是疲劳载荷时间变化的线性函数。通过与其它压头形状下的关系式对比，说明采用平压头研究压痕疲劳更具有优势。针对粉末高温合金材料在制备过程中易带来夹杂和出现空

7、穴，它们都严重影响合金的低周疲劳性能(LCF)。空穴的数量、种类、形状、尺寸和所处的位置对LCF寿命有较高的影响。将压痕疲劳方法应用于确定粉末冶金材料的空穴的形状、分布，由此来从理论上揭示基体空穴长大、空穴形核以及空穴位置等对压痕疲劳性能影响的机理。关键词：压痕弯曲蠕变试验；热障涂层系统（TBCs）；弯曲蠕变损伤；薄膜/基体系统；残余应力；弹塑性；晶体塑性；压痕疲劳IIAbstractAbstractAsanimportantmethod,thehightemperaturethreepointbendingcreeptestplaysanimportantrol

8、einde