高温环境下材料的拉伸力学性能测试分析

2020 4 14 1 高温环境下热障涂层材料的拉伸力学性能测试分析 主讲教师 毛卫国 2020 4 14 2 实验目的 了解高温环境下材料拉伸试验的原理 掌握金属材料常用力学性能指标的测量和计算处理方法 加深对其物理意义的理解 熟悉试验方法的拉伸试样 试验步骤及试验设备的使用 了解热障涂层材料系统及其界面拉伸破坏过程 2020 4 14 3 介绍力学性能有关的数据测量和计算方法及应用范围 测量金属材料的屈服强度 抗拉强度 延伸率 断面收缩率 熟悉氧乙炔加热和高温电炉加热装置 并利用热电偶监测温度梯度变化情况和记录历史温度 学会用图像采集仪器监视热障涂层界面拉伸破坏过程 了解万能拉伸机的构造和工作原理 掌握其使用方法 实验内容 2020 4 14 4 实验步骤与方法 1 制备拉伸样品 样品成分设计 基底材料 SUS304 80 10 2mm过渡层材料 NiCrAlY 100 m陶瓷涂层材料 ZrO2 8wt Y2O3 200 m 300 m 400 m 2020 4 14 5 2 实验设备和仪器 万能材料试验机一台 拉力传感器和位移传感器各一个 标定器一台 游标卡尺 6个测试点的热电偶测温装置及采集软件 视频监视设备及采集软件 氧乙炔高温加热装置及其配套工具等 2020 4 14 6 3 实验步骤与方法 1 试样的准备首先用线切割方法制备标准的镍基高温合金拉伸样品 然后再制备热障涂层实验样品 即设计合理的双层热障涂层实验样品尺寸 选择符合要求的各层材料成分 选用等离子喷涂工艺制备陶瓷涂层和过渡层 并对试样进行编号 用游标卡尺测量试样横截面尺寸和有效长度 2020 4 14 7 2 试验设备和仪器的准备 万能材料试验机的准备步骤是 首先打开仪器的总电源和启动计算机 打开相应的控制软件 等待5分钟以消除温度和湿度对传感器的影响 然后进行联机操作 并进行简单调试和测试 如仪器正常 则可以继续进行实验 小心安装拉伸夹具 用销钉固定好夹具与支座 然后在软件控制界面上清除载荷栏内的数值 以消除上拉伸夹具的重量对拉伸试样的影响 安装拉伸样品 具体方法是先把样品一端安装在下面的拉伸夹具 并用直角测量工具校对拉伸样品是否严格垂直与下面的拉伸夹具表面 然后在移动万能试验机的横梁 以便把拉伸样品另一端安装在上面的夹具上 这个过程建议在较慢的速度下进行 安装好样品之后 通过计算机控制采集软件 适当的给样品以初始载荷 一般为1N 并进行相关详细拉伸设置 如传感器的方向 控制方式 载荷控制 速度控制和位置控制 停机条件 至此拉伸样品安装完毕 2020 4 14 8 组装好热电偶测温装置 并连接好相应的接线 通过其它夹具轻轻地把热电偶测温探头接触在拉伸样品的各个测试点 测试点一般为 陶瓷表面 陶瓷截面 样品的横截面以及基底底部 最后利用计算机控制温度采集软件 并做好相应的设置 组装好氧乙炔加热装置 具体方法是 连接好氧气管和乙炔管 保证连接处严格密封 然后打开氧气瓶和乙炔瓶的总阀 通过调节氧气流量表和乙炔流量表 保证其混合气体比例接近为1 2 然后调试氧乙炔喷枪的火焰 检查是否能正常加热 组装好图像采集仪器和采集软件 并调试以保证图像清晰可见 2020 4 14 9 在1000oC高温梯度下 热障涂层界面拉伸破坏过程 3 实验操作 2020 4 14 10 高温拉伸实验后 剥落部分下表面形貌观察 通过EDX观察分析 其材料成分主要为过渡层材料 NiCrAlY 没有发现陶瓷涂层材料成分 这说明对于这类拉伸破坏 其界面断裂位置位于过渡层内 但是在本论文拉伸实验中 发生这类破坏情况的样品比例仅仅占5 3 实验结果与分析 2020 4 14 11 其它类型拉伸破坏结果 2020 4 14 12 表面形貌观察和成分确定 热力联合作用下 热障涂层界面拉伸破坏后SEM观察 EDX分析表明这类拉伸断裂位置位于陶瓷涂层内 2020 4 14 13 热力联合作用下涂层拉伸界面破坏过程中横向裂纹数量与位移的关系 分析结论 当拉伸载荷小于某一临界载荷时 涂层可以通过自身的应变容限来调整 但是当拉伸载荷超过涂层破坏阈值时 在涂层内就会产生第一条横向裂纹 同时其它横向裂纹也会迅速萌发 扩展 这时横向裂纹数量会急剧增加 随着拉伸载荷再增大 超过了基底材料的屈服极限时 横向裂纹会不断地向涂层中央扩展 形成很大的贯穿宽度方向的横向裂纹 但是这时裂纹数量已经增加缓慢 并开始饱和 曲线随着变形增大而开始趋于平缓 2020 4 14 14 1 说明本实验所用设备及仪器的型号与特性 2 分析拉伸过程中载荷大小 应变大小 温度数值之间的关系 建立应力 应变关系曲线 并对关键点的力学意义