高温金属材料温度相关性屈服强度及本构关系研究

Based on the complexity of service environments for high temperature metals, further studies and reasonable characterizations on their temperature-dependent mechanical properties have become the key problems which are urgent to be solved. From the macro-microscopic view, an interdisciplinary study on the mechanism controlling the high- temperature yield strengths and constitutive behaviors of metallic materials，and their evolution law with temperature will be done in this project with the combination of experiment, theory and numerical simulation. There will be a breakthrough in the basic theory of some key scientific problems, such as, the effect of strain rate, service process, grain size and second phase on the yield strengths and constitutive behaviors of high temperature metals, and their evolution law with temperature. Theoretical models of temperature- dependent yield strength and constitutive relation, which have profound background of physics and can take into account various factors, will be established. The numerical simulation technique for the thermo-mechanical yield failure analysis of high temperature metals will be developed, and it will be used for the failure analysis and characterizations of high temperature metals in various service environments. Furthermore, some effective methods to improve the yield strength and constitutive behavior of high temperature metals at different temperatures will be proposed based on the analysis and control of microstructures, and the multiphase strengthening. Research achievements of this project can provide theoretical basis and technical reserve for the application, design and reliability assessment of high temperature metals in the field of high temperature.

基于高温金属材料使役环境温度的复杂性，深入研究与合理表征其温度相关性力学性能成为急需解决的关键问题。本项目通过实验、理论和数值模拟相结合的方法，从宏细观角度，对控制高温金属材料屈服强度与本构行为的各种机理及其随温度的演化进行多学科的交叉研究，在应变率、使役历程、晶粒尺寸、第二相强化机制等因素对屈服强度及本构行为的控制机理及其随温度的演化等核心科学问题的基础理论上有所突破，建立可考虑不同机制影响的具有深刻物理背景的温度相关性屈服强度及本构关系理论模型。开发高温金属材料在热/力耦合环境下屈服失效分析的数值仿真技术，为不同使役环境下高温金属材料的性能表征和失效分析提供有力的研究手段。进一步基于微结构分析与控制、多相复合强化设计的思路给出提高高温金属材料在不同温度下屈服强度及改善高温本构行为的有效方法。本项目的研究成果可为高温金属材料在高温领域的应用、设计及可靠性评价方面提供理论基础和技术储备。

随着金属材料在高温环境下的应用越来越广泛，研究不同温度下特别是高温下控制金属材料屈服强度和本构行为的各种机理及其随温度的演化规律，建立能揭示相应物理机理及其演化规律的温度相关性屈服强度理论模型及本构关系，具有重要的理论意义和工程应用背景。本项目通过实验、理论和数值模拟相结合的方法，从宏细观角度，按计划全面开展了项目的研究工作，达到了预期的研究目标。对高温金属材料的温度相关性屈服强度和本构关系等核心科学问题进行了深入研究，并取得了丰富的研究成果。形成了高温金属材料在热/力耦合作用下温度相关性屈服强度与本构关系的评价表征方法，建立了包含宏细观结构特征具有深刻物理背景可考虑应变率、使役历程、晶粒尺寸、第二相强化机制等因素及其组合影响的系列温度相关性屈服强度及本构关系表征模型，对金属蜂窝材料在热/力耦合环境下的力学行为进行了数值仿真分析，为不同温度下高温金属材料及结构的力学性能表征和失效分析提供了有力的研究手段，进一步为综合提高高温金属材料与结构的高温屈服强度等力学性能及研制出满足复杂服役环境下使役需求的金属材料提供了技术支撑。项目执行期间，项目负责人以第一作者或通讯作者发表标注此基金资助的SCI论文51篇（直接相关38篇），发表的期刊包括国际固体力学领域旗舰期刊JMPS，力学领域重要期刊IJSS、IJP、Eur. J. Mech. A-Solid、EML、Mech. Mater.、IJMS，陶瓷领域顶级期刊JACerS、JECerS，复合材料领域顶级期刊CST，物理领域重要期刊JAP等，发表综述论文1篇；授权发明专利10项；依托本项目，项目负责人入选国家级人才计划；新增国家自然科学基金重大科研仪器研制项目1项(直接经费900万元) ，及其他项目共10余项；研制出用于丝状材料的有氧环境下高温拉伸试验的微型高温炉腔1套；以第一完成人获重庆大学自然科学奖一等奖1项。本项目的研究成果为高温金属材料在航空航天、能源工业和石油化工等高新技术领域的应用、设计及可靠性评价方面提供了理论基础和技术储备。