高溫力學性能預測的案例
金屬材料的高溫力學性能
在航空航天、能源和化工等工業領域，許多機件是在高溫下長期服役的，如發動機、鍋爐、煉油設備等，它們對材料的高溫力學性能提出了很高的要求。
正確地評價材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫材料，稱為上述工業發展和材料科學研究的主要人物之一。
這期小編給大家介紹材料的高溫力學性能方面的一些知識。
來源：
Digimat&Marc助力Radici集團準確預測再生工程聚合物的力學性能
Radici集團的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據微觀結構、拉伸試驗數據和微觀力學建模對材料卡進行逆向工程。
背景
Radici集團的高性能聚合物公司提供力學回收的工程聚合物。由于開發用于高端應用的再生聚合物是一項有挑戰的工作，Radici集團的高性能聚合物公司借助于海克斯康工業軟件Digimat和Marc軟件，提出一種先進的材料性能預測方法，以便讓客戶相信其生產的可持續利用材料能夠滿足客戶的應用要求。
Radici集團的高性能聚合物公司已經驗證了三種可回收產品。一個是后工業可回收（PIRPIR）級別，兩個是后消費可回收（PCRPCR）級別。這些產品源自于安全氣囊廢物和輪罩廢物。根據生命周期評估，使用回收工程材料相比于使用原始材料，二氧化碳排放減少了84%-88% 。
圖1：一種原始材料和三種回收級別的材料的拉伸試驗數據挑戰
挑戰
圖1 中的拉伸試驗數據表明，可回收聚酰胺6.6 在材料開發和商業化方面面臨挑戰。三種可回收聚合物，即PIR GF030/1K 、具有報廢安全氣囊的PCR PA6.6 GF30 以及具有回收輪罩的PCRPA6.6 GFMD3015GFMD3015，和原始材料進行了對比。
解決方案
Radici集團的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據微觀結構、拉伸試驗數據和微觀力學建模對材料卡進行逆向工程?；厥者^程中的額外加工步驟使微觀結構成為影響回收工程聚合物材料性能的關鍵因素。受研磨和復合影響的纖維長度分布可準確地記錄在Digimat 材料卡中。
展開 設計仿真 | Digimat&Marc助力Radici集團準確預測再生工程聚合物的力學性能
“
Radici集團的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據微觀結構、拉伸試驗數據和微觀力學建模對材料卡進行逆向工程。
”
背 景
Radici集團的高性能聚合物公司提供力學回收的工程聚合物。由于開發用于高端應用的再生聚合物是一項有挑戰的工作，Radici集團的高性能聚合物公司借助于?？怂箍倒I軟件Digimat和Marc軟件，提出一種先進的材料性能預測方法，以便讓客戶相信其生產的可持續利用材料能夠滿足客戶的應用要求。
Radici集團的高性能聚合物公司已經驗證了三種可回收產品。一個是后工業可回收（PIRPIR）級別，兩個是后消費可回收（PCRPCR）級別。這些產品源自于安全氣囊廢物和輪罩廢物。根據生命周期評估，使用回收工程材料相比于使用原始材料，二氧化碳排放減少了84%-88% 。
圖1：一種原始材料和三種回收級別的材料的拉伸試驗數據挑戰
挑 戰
圖1 中的拉伸試驗數據表明，可回收聚酰胺6.6 在材料開發和商業化方面面臨挑戰。三種可回收聚合物，即PIR GF030/1K 、具有報廢安全氣囊的PCR PA6.6 GF30 以及具有回收輪罩的PCRPA6.6 GFMD3015GFMD3015，和原始材料進行了對比。
解決方案
Radici集團的高性能聚合物公司使用Digimat和Marc，根據微觀結構、拉伸試驗數據和微觀力學建模對材料卡進行逆向工程?；厥者^程中的額外加工步驟使微觀結構成為影響回收工程聚合物材料性能的關鍵因素。受研磨和復合影響的纖維長度分布可準確地記錄在Digimat 材料卡中。
展開 Phys Rev Mater：原位高溫納米力學測試——探索準晶體微納尺度力學和相變
雖然準晶體和晶體相似，也有位錯（dislocation）, 但是準晶體中的位錯因為有相子應變(phason strain)的存在，位錯滑移(dislocation glide)非常困難，只能通過高溫下擴散導致的位錯攀移 (dislocation climb）才表現出塑性。正是因為這個原因，從上個世紀80年代準晶被發現到現在，大部分的研究都是準晶在特定條件下的力學性能（如：高于500 攝氏度或者是在液體靜壓力下測試）。
圖2.（上）展示Al-Pd-Mn結構；（
下） Ho-Mg-Zn 十二面體準晶 (wikipedia.org ? wiki ? Quasicrystal)
最近，多倫多大學材料系鄒宇教授課題組和蘇黎世聯邦理工 (ETH Zurich)的Jeff Wheeler博士合作用原位高溫納米力學測試平臺研究了20面體準晶Al-Pd-Mn從室溫到500攝氏度的力學行為和相變特征。該工作發表在最近的一期Physical Review Materials上。（【4】Cheng et al., Phys. Rev. Materials （2021））第一作者是多倫多大學博士生Changjun Cheng, 通訊作者為鄒宇教授。其他作者包括ETH的Yuan Xiao 和JeffWheeler博士，多倫大學的博士生Michel Hache 和Zhiying Liu。
在此之前，2016年鄒宇在讀博士期間和其同事通過微納力學的辦法第一次在實驗中觀察到室溫下同軸壓縮的20面體準晶Al-Pd-Mn的塑性 ，并且發現位錯滑移(dislocation glide)在室溫下的可能性。（【1】Zou et al.
展開 
Ti60 高溫鈦合金環件組織性能與分析
圖4 低倍組織無清晰晶及冶金缺陷
圖5 中心取樣點1 的高倍組織
表3 鍛件室溫力學性能
圖6 中心取樣點2 的高倍組織
圖7 外圓取樣點的高倍組織
圖8 內圓取樣點的高倍組織
表4 鍛件高倍檢驗
表5 鍛件高溫拉伸性能和熱穩定性能
注：經600℃×100h +空冷熱暴露
高溫拉伸性能和熱穩定性能見表5；沖擊性能、高溫持久和高溫蠕變性能見表6。坯，在φ1200mm 擴孔機上成形，并在熱處理和粗加工后進行全面理化性能檢測，以驗證現行熱加工工藝的合理性及有效性，為后續生產Ti60 高溫鈦合金鍛件提供實踐經驗。
表6 鍛件沖擊性能和高溫持久、高溫蠕變性能
試制過程及理化性能檢驗結果顯示：
⑴在3t 自由鍛錘上進行Ti60 高溫鈦合金原材料改鍛、制坯工藝合理可行。通過自由鍛錘制坯、馬擴、擴孔等工序的變形后對Ti60 高溫鈦合金環坯進行探傷，結果φ0.8mm 平底孔雜波為-12 ～-6dB，φ1.2mm 平底孔雜波為-12dB 的水平；改鍛效果比較明顯，高低倍組織符合技術要求。通過端面低倍檢查無異常。
⑵力學性能，室溫拉伸、600℃拉伸、缺口拉伸、600℃+100h+試樣熱穩定性、持久和蠕變性能均得到了較好的試驗數據(高低周疲勞未進行檢測)。
⑶試制表明輕擊快鍛及多火次對Ti60 高溫鈦合金組織影響顯著，具體定量研究快速變形對Ti60 合金的影響尚未明確，待其他相關工作進一步深入研究。
通過以上Ti60 高溫鈦合金環件鍛造過程試制：φ500mm×φ485mm×200mm 環件Ti60 高溫鈦合金鍛件滿足組織性能要求。試制結果顯示：探傷、高低倍組織、力學性能各項目檢測均能滿足技術條件要求。
展開 用Ansys分析高溫下鋼結構的受力性能。
用Ansys分析高溫下鋼結構的受力性能。
PEEK高性能塑料——耐高溫、耐腐蝕 瀏覽次數：280
具有耐高溫、耐化學藥品腐蝕等物理化學性能。
PEEK因其分子含有大量苯環結構而表現出非常優越的綜合性能，具備優異的耐高溫（超過260℃）、耐腐蝕性，且擁有機械性能好、耐沖擊、自潤滑、阻燃等特性。今天，我們就耐高溫、耐腐蝕性兩方面來談談PEEK的優越性！
PEEK超耐高溫
在石油化工行業，使用到PEEK材料主要還是因其耐高溫性能，那么PEEK與其他熱塑性的特種工程塑料相比到底有什么優勢呢？
、
幾種特種工程塑料的熔點與長期使用溫度圖
從上圖中我們可以看出，PEEK的熔點與長期使用溫度均高于另外4種熱塑性的特種工程塑料。所以PEEK材料可以表現出優秀的耐熱性能。
PEEK5600G和PEEK5600CF30高溫彎曲性能和高溫壓縮曲線圖
由上圖可以看出，與所有的塑料一樣，隨著溫度的升高，其力學性能是逐漸在降低的。但是由于其PEEK的耐溫性能優異，在100℃時，仍舊能夠保持原有性能的70%左右。
PEEK超耐腐蝕
在實際生產生活當中，PEEK材料也使用到了耐腐蝕性能，例如分析儀器用PEEK毛細管，PEEK接頭等。
幾種特種工程塑料耐腐蝕性表
從圖中可以看出，PPS與PEEK的耐腐蝕性基本一致，而PPSU，PEI，PI的耐腐蝕性能均差于PEEK材料。
PEEK產品具有優異的耐化學藥品性，在通常的化學藥品中，能溶解或者破壞它的只有濃硫酸，它的耐腐蝕性與鎳鋼相近。
展開 高溫下長效穩定服役的高性能SiC納米帶光電探測器
圖7 B摻雜SiC納米帶PD的高溫穩定性
a) 在5.0 V偏壓、405 nm光照下，B摻雜SiC納米帶PD在25-300 ℃不同溫度下的光響應曲線；
b) B摻雜SiC納米帶PD在室溫和300℃下180天服役的I-t特性。
【小結】
綜上所述，作者實現了B摻雜SiC納米帶高性能PD研發，在405 nm光激發下的響應度為6.37×105 A·W-1，外量子效率為2.0×108 %，探測率為6.86×1014 Jones，響應時間為0.05 s，并且在300℃高溫環境下展現出180天的長效穩定性，表明該PD在高溫等苛刻服役條件下，具有潛在的應用前景。
文獻鏈接：High-Performance SiC Nanobelt Photodetectors with Long-Term Stability Against 300 °C up to 180 Days (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806250)
展開 原位納米力學測試系統——材料微觀力學性能
材料微觀力學性能原位測試儀器具有：微觀、原位、復合載荷、多物理場耦合四大特點，其中復合載荷、多物理場耦合特點在傳統宏觀力學測試儀中有應用，微觀、原位是不同于傳統宏觀力學測試試的特點。微觀測試：宏觀測試 傳統力學測試，（原位納米力學測試系統）針對的都是宏材尺度試件；微觀測試 微納米級；納米尺度下對試件材料進行力學性能測試；微納米力學測試相比于傳統的力學測試在測試精度上有著本質的提升，（原位納米力學測試系統）使得人類可以從更為微觀的理解材料的力學性能與微觀未知世界。原位：對材料進行力學性能測試中，通過掃描電子顯微鏡等儀器對載荷作用下材料變形損傷進行全程動態監測的一種力學測試新技術。（原位納米力學測試系統）原位測試儀器：在顯微成像設備的腔體內進行試驗材料拉伸/壓縮力學性能測試的系統；（原位納米力學測試系統）獲得彈性模量、屈服極限及破壞極限等重要力學參數；并結合顯微成像設備的圖像記錄功能材料的損傷變形、裂紋產生等力學行為分析。 （原位納米力學測試系統）離位測試：試驗機對材料試作進行拉伸試樣；由試驗機繪出載荷-伸長曲線，進而得到載荷作用下應力應變曲線圖；拿經過拉伸試驗的試件去掃描電鏡進行放大觀察分析，（原位納米力學測試系統）電鏡將試件放大到5000倍觀察即是微觀級別，放大到10000倍是納米級別。
納米力學主要研究納米尺度物質的力學性質和動力學問題，有非常廣泛和重要的科研和應用價值。傳統的力學系統通常由牛頓力學描述，（原位納米力學測試系統）而納米力學可以實現傳統力學體系無法實現的功能和動力學特性，近年來受到了廣泛的關注。產生超強非線性效應和非對稱的振動傳播，（原位納米力學測試系統）對未來該領域的基礎和應用研究起到了重要推動作用。 眾所周知，胡克定律是支配力學系統的重要規律，其可以表述為對于微小的形變，力學系統的響應是線性的。
展開 精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究
結束語
通過對精沖用碳鋼不同微觀組織的拉伸、剪切、精沖性能進行宏微觀模擬，模擬結果顯示：球化退火后，當基體中存在較小體積分數的小直徑碳化物顆粒時，材料的拉伸、剪切強度提高，裂紋萌生時間延遲；而碳化物帶的存在使得帶中產生應力集中，加快損傷演化而導致材料過早斷裂，并且碳化物帶中滲碳體顆粒越多或越密集，這種應力集中越嚴重；精沖時裂紋沿著碳化物帶擴展，降低斷面質量。模擬預測的單元失效情況與掃描電鏡觀察的精沖試樣裂紋擴展結果一致。
作者簡介 莊新村，博士，副研究員，碩士研究生導師，現任上海交通大學材料學院塑性成形技術與裝備研究院副院長，主要研究方向為精沖成形工藝及模具設計優化、板料鍛造新工藝和材料韌性損傷演化建模。
《精沖鋼微觀組織對其力學性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究》摘自《鍛造與沖壓》雜志第20期
展開 OptiSystem應用：通過機器學習預測系統性能
a） epoch vs loss
b） epoch vs mae
c） epoch vs val_loss
d） epoch vs val_mae
圖5 神經網絡損失函數評估
訓練完成后我們將余下的眼圖用于對神經網絡進行測試，比較測試預測的結果與實際測試集結果之間的誤差，測試結果如圖6所示：
a） 實際光纖長度與預測光纖長度對比
b） 實際光纖長度與預測光纖長度誤差
c） 實際Q因子與預測Q因子的對比
d） 實際Q因子與預測Q因子的誤差
e） 實際最小BER與預測最小BER的誤差
圖6 神經網絡測試結果
導入一個眼圖，如圖7所示：
圖7.導入需要預測的眼圖
運行預測功能，結果如圖8：
圖8.神經網絡預測的系統性能
展開 
OptiSystem應用：通過機器學習預測系統性能
a） epoch vs loss
b） epoch vs mae
c） epoch vs val_loss
d） epoch vs val_mae
圖5 神經網絡損失函數評估
訓練完成后我們將余下的眼圖用于對神經網絡進行測試，比較測試預測的結果與實際測試集結果之間的誤差，測試結果如圖6所示：
a） 實際光纖長度與預測光纖長度對比
b） 實際光纖長度與預測光纖長度誤差
c） 實際Q因子與預測Q因子的對比
d） 實際Q因子與預測Q因子的誤差
e） 實際最小BER與預測最小BER的誤差
圖6 神經網絡測試結果
導入一個眼圖，如圖7所示：
圖7.導入需要預測的眼圖
運行預測功能，結果如圖8：
圖8.神經網絡預測的系統性能
展開 金屬材料力學性能檢測
灰鑄鐵的抗彎性能優于抗拉性能，其抗彎強度是灰鑄鐵的重要力學性能指標。2、可以測定硬質合金的抗彎強度。這些材料加工困難，難易制成拉伸試樣。而彎曲試樣形狀簡單，故利用彎曲試驗評價其性能和質量。3、可以測量陶瓷材料、工具鋼的抗彎強度。這些脆性材料測定抗拉強度很困難，且試樣加工也比較困難，因而采用彎曲試驗。4可以用來檢測和比較表面熱處理層的質量和性能。因彎曲試驗對材料表面缺陷敏感。5、可以用來檢測材料在受彎曲載荷下作用下的性能,因為許多機械零件(如脆性材料制作的刀具等)是在彎曲狀態下工作的,需要對這些零件進行彎曲試驗。
3、沖擊試驗一種動態力學性能試驗，主要用來測定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗。
根據試樣形狀和破斷方式，沖擊試驗分為彎曲沖擊試驗、扭轉沖擊試驗和拉伸沖擊試驗三種。橫梁式彎曲沖擊試驗法操作簡單，應用廣。按試驗溫度常分為常溫沖擊試驗、低溫沖擊試驗。韌性是材料承受載荷作用導致發生斷裂的過程中吸收能量的特性。沖擊吸收功的測量原理為沖擊前以擺錘位能形式存在的能量中的一部分被試樣在受沖擊后發生斷裂的過程中所吸收。擺錘的起始高度與它沖斷試樣后達到的大高度之間的差值可以直接轉換成試樣在沖斷過程中所消耗的能量，試樣吸收的功稱為沖擊功（Ak）。采用系列沖擊試驗，即測定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，可以確定其韌脆轉變溫度，即當溫度下降時，由韌性轉變成脆性行為的溫度范圍，在Ak-T曲線上表現為Ak值顯著降低的溫度。曲線沖擊功明顯變化的中間部分稱為轉化區，脆性區和塑性區各占50%時的溫度稱為韌脆轉變溫度（DBTT）。當斷口上結晶或解理狀脆性區達到50%時，相應的溫度稱為斷口形貌轉化溫度（FATT）。脆性斷裂：材料在低溫斷裂時會呈現脆性斷裂，所謂脆性斷裂即材料在極微小甚至沒有塑性變形及其預警的情況下所發生的斷裂，低倍放大鏡下斷口形貌往往是光亮的結晶狀。
展開 LeadingEDGE 預測 Lloyd's Register Regal 的全尺寸船舶性能
從技術角度來看，這可以轉化為需要更高效和準確的設計方法，以便能夠在設計階段的早期預測預期的船舶性能。準確的預測可以避免事后昂貴的改造解決方案。
計算流體動力學 (CFD) 軟件在預測和優化船舶性能方面發揮著越來越重要的作用。廣泛的國際研討會旨在不斷驗證和驗證 CFD 工具生成的數據，這些研究中心和大學定期組織深入參與進一步開發這種替代實驗模型測試的數值方法。
勞埃德船級社測試案例
勞埃德船級社技術調查部組織的勞氏船級社研討會是全球參與的研討會之一。研討會的范圍是驗證一種能夠準確預測全尺寸船舶性能的數值方法，旨在加快船舶的設計過程，并為模型測試提供時間和成本效益高的替代方案。參與者必須提交在給定條件下預測的船速、軸扭矩、動態平衡和螺旋槳空化擴展的數值結果。然后將這些結果與海上試航期間在貨船“REGAL”上進行的船上測量和觀察結果進行比較。
考慮中的船舶是一艘1994年在波蘭建造的138m雜貨船，總重量11542噸，配備一個四葉右旋定距螺旋槳。
LeadingEDGE 結果
LeadingEDGE Marine Engineering參加了研討會，并在整個項目中使用了 Fine Marine。LeadingEDGE 的方法主要圍繞 Fine Marine 中實施的高級 Actuator Disk 模型構建，該模型讀取真實螺旋槳的開放水域性能。能夠從數值計算中刪除實際的螺旋槳幾何形狀可以大大簡化物理過程并加快過程。只需要裸船體阻力和自航案例來驗證該方法（空化和開放水域螺旋槳測試不在本次練習的范圍內）。
與船體阻力模擬的慣例相反，模擬的是整個船體而不是半個船體。這允許正確包含由于容器的初始流體靜力平衡和 3D 掃描幾何形狀引起的小不對稱，如研討會組織者提供的那樣。
展開 重型裝備工程 – 預測式性能工程軟件
可精確預測性能的工程能夠加快開發高級重型裝備，以滿足客戶需求。此信息圖概括介紹重型裝備制造商如何使用預測式性能工程軟件將行業復雜性轉化為競爭優勢。
物理場仿真
如何在滿足政府排放和安全法規的同時保障機器性能？利用先進而全面的多物理場仿真，一次性實現強大而正確的設計。
CAE 自動化
如何以更少的資源實現更高的生產率目標？通過無縫 CAE 自動化即刻獲得有關設計性能的定性反饋并使常規流程自動化。
數據集成
如何滿足物聯網賦能機器不斷增長的需求？運用現場物聯網數據集成來打造互聯工作場所并實現更快開發的閉環反饋和預測性維護。
點擊鏈接登記獲取文檔
http://t8iw4ulf0hpixn8k.mikecrm.com/Mb9aR16
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