金属细丝应力释放特性实验研究

论文摘要

材料蠕变问题在工程实际中普遍存在,因蠕变变形导致的材料断裂对工程结构安全有着重要影响。同时,随着现代科技的不断发展,微尺度材料在实际中得到了广泛的应用。因此,研究微尺度材料的蠕变性能变得日益重要。本文围绕微尺度材料蠕变特性这一前沿问题,开展了金属细丝应力释放特性实验研究。本文主要研究成果包括:(1)研制了应变式悬臂梁测力传感系统,该系统具有更高的灵敏度和稳定性。在室温下对金属丝进行了拉伸应力释放实验,结果显示应力释放行为同时表现出对外观直径和初始应力的依赖性,具体表现为:在相同初始应力下,应力释放随着细丝直径的增加而变慢;对于相同直径细丝,应力释放随着初始应力的增加而加快。通过分析,确定了金属细丝拉伸应力释放中的主导变形机制为位错与晶界间的相互作用。通过位错在自由面上、晶界处等的耗散机制对尺度效应现象进行了解释。电镜观测表明晶界在应力释放中会阻碍位错的运动。同时建立了与试样尺寸相关的活化容积模型,运用该模型对实验结果进行了描述。(2)搭建了可控温微纤维拉伸试验平台,在不同温度场下对金属丝进行了拉伸和应力释放实验。拉伸实验结果显示:对于相同直径细丝,随着温度的升高,屈服强度降低、延展性降低、断裂强度降低;在相同温度下,不同直径细丝拉伸力学性能基本保持一致。应力释放实验结果表明:对于相同直径细丝,应力释放随着温度的升高而加快;在相同温度下,应力释放随着细丝直径的减小而加快。运用热激活理论分析发现:随着温度的升高或细丝直径的减小,活化容积减小、应变率及其敏感系数增加、位错耗散加快。对上述实验结果进行深入分析,再次确定位错与晶界间的相互作用为主导变形机制。(3)在室温下对金属细丝进行了扭转应力释放实验,结果显示:当初始应力在弹性极限前后时,金属丝扭转应力释放随着初始应力的增加而加快,在弹性极限附近出现极值,这与均匀变形场下的应力释放特性有差异;扭转应力释放随着加载速率的增加而加快。不同直径金属细丝的扭转应力释放特性呈现出尺度效应,具体表现为应力释放随着细丝直径的减少而加快。运用热激活理论对实验结果进行了分析。讨论确定了位错交滑移为金属丝扭转应力释放中的主导变形机制。通过考虑几何必须位错对细丝扭转应力释放的影响,对尺度效应现象进行了解释。(4)采用不同热处理工艺,制备出不同晶粒尺寸试样,并对其内部结构进行了表征。试样拉伸和扭转实验结果显示:屈服强度均随着晶粒尺寸的增加而减小。试样应力释放实验结果表明:细丝拉伸和扭转应力释放均随着晶粒尺寸的增加而减慢。运用热激活理论对应力释放结果进行分析发现:随着晶粒尺寸的增加,名义活化容积和物理活化容积增加、应变率及其敏感系数减小、位错耗散过程变慢。通过考虑细丝非均匀变形中几何必须位错的贡献,解释了拉伸和扭转应力释放间的差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 蠕变特性概述
•   1.3 蠕变理论概述
•   1.4 微尺度材料蠕变特性研究概况
•   1.5 主要研究内容
• 2 室温下拉伸应力释放特性
•   2.1 引言
•   2.2 实验设备介绍与材料表征
•   2.4 室温下拉伸应力释放实验
•   2.5 分析与讨论
•   2.6 本章小结
• 3 温变场下拉伸应力释放特性
•   3.1 引言
•   3.2 实验设备介绍与材料表征
•   3.3 温变场下拉伸应力释放实验
•   3.4 分析与讨论
•   3.5 本章小结
• 4 室温下扭转应力释放特性
•   4.1 引言
•   4.2 实验仪器介绍与扭转力学性能确定
•   4.3 扭转应力释放实验
•   4.4 分析与讨论
•   4.5 本章小结
• 5 应力释放中的晶粒尺寸效应
•   5.1 引言
•   5.2 试样制备与表征
•   5.3 实验结果
•   5.4 分析与讨论
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间完成的学术论文及其他成果
• 附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 附录3 攻读博士学位期间获得的奖励及荣誉

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭松

导师: 何玉明

关键词: 金属细丝,扭转,拉伸,温变场,应力释放,尺度效应

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 华中科技大学

分类号: TB301

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004937

总页数: 140

文件大小: 11374k