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高温金属氧化残余应力预测理论的研究

Sanjeev Maharjan(山吉伍)  
【摘要】:在高温等温氧化过程中,在合金或金属表层会形成氧化层。而在氧化物/金属复合情况下,氧化层中会形成应力。在氧化过程中,广泛采用挠度测试和拉伸测试来预测氧化物/金属复合物中的生长应力。在挠度测试中,试样的单一面暴露于氧化环境。所以残余应力通过试样的弯曲得以释放。通过氧化物/金属复合物的弯曲,氧化物侧向生长以及复合物的蠕变等可以推断出氧化层中应力的存在。在拉伸测试中,试样的双面均暴露于氧化环境。所以残余应力通过试样的伸长得以释放。伴随着氧化物的侧向生长和复合物的蠕变,通过对试样侧向应变的观测可以推断出应力的存在。 在这样的应力假定下,本文阐明了挠度测试和生长测试中的应变交互为氧化层侧向生长应变,以及氧化物/基体中的蠕变和弹性应变。因此本文主要目的是在考虑氧化过程中,的基本应变来建立残余应力的分析模型。我们应用所提出的模型到A1203/FeCrAlY复合物,NiO/N复合物以及NiO/Ni8oCr2o复合物中。验证了模型具有重要价值。 在挠度测试中,以往的蠕变挠度分析工作视氧化物中性轴位于氧化层外部。在这样的情况下,氧化层中的平均应力总是压应力而在金属基体中的应力为拉应力从而使得复合物截面上的应力状态处于平衡态。在我们的分析模型中,得到了相似的结果但是有了其它新发现。比如当氧化物中性轴与氧化物外表面重合时,氧化物平面应力分布是由生长应力来决定的。这是因为侧向生长应和氧化物中性的位置无关,而只是取决于氧化时间和氧化动力学。这样的结论与蠕变变形模型中氧化层外表面应力为零不一样。氧化物中性轴逼近外表面,甚至在氧化层增厚的情况下与外表面重合。 而氧化层增厚,金属中性轴总是位于金属基体的中。不考虑测试,侧向常数影响氧化的最初阶段而蠕变常数影响接下去的氧化过程。随着侧向生长常数的增加,除了金属中的应力,平均的氧化层应力也增加。对于更大的侧向生长常数,在氧化层中以及金属基体中会释放更多的应力。在拉伸测试中,在氧化过程中更大金属蠕变强度会导致零生长应力。比如Ni/NiO复合物。此时如果氧化物/金属复合物发生侧向延展,只可能行生长的氧化层中发生侧向延展。


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