谭鸿来[1]1996年在《材料断裂过程的宏微观研究》文中进行了进一步梳理对材料断裂过程的研究出现宏微观结合的趋势。断裂起源于原子价键的破断，材料微结构影响局部力学场氛围，这两方面的探索构成本文研究焦点。 新材料往往具有微米以至纳米级细微结构。本文实现了原子与连续介质相耦合的计算，探讨了金属／陶瓷界面断裂的力学规律。分析了纳米复相陶瓷的增韧机制，获得与实验一致的结果。 实验中观测到断裂粒子发射，以及断裂过程中出现的混沌。本文构造了镶嵌于连续介质的裂尖原子模型，考察裂尖原子非线性运动。解释了与断裂粒子发射相关联的多种现象。描述了裂尖原子的混沌运动，揭示了断裂的动态行为以及断裂热产生的根源。 本文研究创造性体现在：获取对裂尖原子非线性行为特征的描述，实现原子与连续介质耦合的数值模拟，得到纳米复相陶瓷四种增韧机制。
高配峰[2]2017年在《高温超导复合带材力学行为及变形对临界特性影响的研究》文中进行了进一步梳理高温超导材料因其在高能物理、高载流输电、强磁场等现代高新科学和技术领域表现出的卓越性能,得到了广泛关注并逐渐进入商业化应用。但由于高温超导材料在热处理、加工、冷却、线圈绕制、磁体结构运行等过程中不可避免地受到机械力以及强电磁力作用,进而引起其超导性能的改变,甚至导致超导临界特性的不可逆退化,严重制约了高温超导带材的工程应用。这些问题直接关联到力学变形对超导多场性能的影响机制和工程实际应用,成为超导科学界和技术应用领域的热点课题。围绕高温超导复合带材的力学分析以及力学变形对超导带材临界特性影响,综合运用定量化数值模拟,理论建模和实验测试等方法,本论文较为系统地从宏微观角度针对YBCO高温超导涂层复合带材应力/应变状态以及对Bi系超导带材在不同变形模式下临界特性的影响等开展了研究。首先,针对YBCO涂层复合超导带材多层结构的应力/应变状态,结合结构特征建立了高效的3D/2D混合维度有限元数值模型,实现了从超导带材热处理加工到外荷载作用下的全过程弹塑性力学行为分析。研究结果表明:YBCO涂层超导带材热处理加工过程中,各层材料热膨胀系数的不匹配导致强的残余热应力,并使得超导薄层处于压缩状态;单轴拉伸与弯曲变形下,复合带材各层包括银覆盖层、铜包裹层、哈氏合金基底、超导层和缓冲层依次达到屈服极限,计算结果与实验结果吻合良好。进一步,基于内聚力模型建立了YBCO涂层复合超导带材层间剥离失效和破坏问题的3D/2D混合维度有限元数值模型,实现了对超导复合带材在横向拉伸荷载作用下的剥离力学行为的定量仿真。结果表明:层间剥离过程中出现两个应力集中区域,一个位于加载边界处,另一个位于裂纹尖端附近,剥离层发生位置与界面结合强度有关;带材的横向拉伸加载面以及初始缺陷均对剥离强度产生显著影响等。该3D/2D混合维度模型不仅具有较高的计算精度,而且相比于3D模型计算效率得到很大提高。其次,针对Bi系高温超导带材在不同变形模式:拉伸、弯曲、扭转三种基本力学变形下的临界电流退化问题开展了实验与理论研究。自主搭建了低温力-电耦合超导测试系统并实施了不同变形模式下的实验研究,对比研究了三种变形模式下的临界电流特征。结果显示:存在临界应变值,低于此值时临界电流不发生显著退化,并呈现可逆过程,当材料内部应变大于该值时,临界电流发生急剧的不可逆退化行为;相对于另外两种变形模式,轴向变形下的临界电流的不可逆退化更显著。在此基础上,从实验观测的电流退化现象及复合超导带材横截面的芯丝破坏微观机制出发,基于超导脆性纤维-金属基复合材料损伤理论以及Weibull分布函数,我们建立了统一的变形对临界电流退化影响的唯象模型。其可以实现对单轴拉压、弯曲、扭转三种变形模式下应变-电流退化行为的揭示,理论预测结果与实验结果吻合良好,并有望推广应用于超导带材多种变形模式耦合作用情形。为了尝试从微观角度揭示力学变形对超导临界特性的影响机制,论文中还以具有特定组分的YBCO高温超导材料——YBa2Cu3O6.95为研究对象,开展了静水压力作用下的材料变形对其超导特性和临界温度影响的微观机理研究。从第一性原理计算出发,结合材料微观键价计算和空穴浓度分析,研究了静水压下YBCO高温超导材料微观结构变化以及影响临界状态的微观物理量的变化。数值仿真结果表明:随着压强的增大材料内部连接CuO2平面和Cu-O链的氧原子向CuO2平面移动,Cu(2)-O(2,3)-Cu(2)键角直接关联于超导临界温度;CuO2平面的空穴浓度随外加压力的增大而增加,是一种自掺杂过程并进而影响超导临界特性。基于这些微观机制的刻画,提出了一自掺杂过程中YBCO临界温度随压强变化的修正模型,揭示了临界温度随压强的非对称关系,预测结果与实验结果吻合良好。
游玮[3]2014年在《304不锈钢型材制备与零件成形过程宏微观研究》文中研究表明304不锈钢属于奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性、低温强度和良好的力学性能，在汽车、船舶、航天航空以及医疗器具等方面有着广泛的用途。但是由于304不锈钢属于低层错能的面心立方结构，导致全位错比较容易分解成层错宽度较大的扩展位错，而扩展位错不利于回复的进行。因此，其软化机制主要是通过再结晶。虽然在热成形过程中，能够通过再结晶来进行软化，消除加工硬化。但是热成形的产品表面质量较差、尺寸精确度较低，这样也制约了其工业应用，而具有尺寸精度高、表面质量好，综合力学性能好等优点的冷成形技术则能够满足成形制品对精度和质量的要求。但是在冷成形过程中，其加工硬化现象非常明显，这样影响加工效率和模具寿命，并且制件也容易出现裂纹。因此，研究304不锈钢在成形过程中的宏微观变化情况，对于改进工艺，指导生产是很有意义的。本文以304不锈钢型材制备与零件成形过程作为研究对象，采用实验与数值模拟相结合的方法研究其型材制备、零件成形以及材料断裂过程中的宏微观变化。在型材制备过程中，为了验证固溶处理模拟的可靠性，对原始试样进行了镦粗-固溶处理的模拟与实验；在零件成形过程中，对零件挤压成形过程进行了模拟与实验；在材料断裂过程中，研究了同坯次的304不锈钢拉伸过程中微孔的萌生、长大等微观变化。结果表明：在型材制备过程中，原始试样经过镦粗，形变诱导了马氏体相变，显微硬度从247.2HV上升到了444.0HV。镦粗后的试样在1100℃固溶处理过程中发生了再结晶，最终得到不规则的奥氏体晶粒，平均晶粒尺寸为96.86um，这与模拟结果比较吻。固溶处理后材料显微硬度下降至180.0HV，形变诱导的马氏体消失。零件成形过程中，经过拉拔、固溶处理后的材料在进行挤压成形时，零件较大变形处沿着挤压方向上有很明显的纤维组织，较小变形处晶粒尺寸变化不大，这与模拟一致。材料断裂过程中，随着拉伸开始，位错密度不断积累，晶粒内部出现由方向相同的滑移线组成的滑移带，不同晶粒内滑移带方向不同。拉伸量继续增加，晶粒取向发生明显变化，人为缺口处的晶粒发生转动，试样表面出现橘皮褶皱。通过SEM追踪发现，拉伸了0.4mm时，缺口附近出现了许多微米级的微孔，随着拉伸量的增大，微孔沿着拉伸方向被拉长，微孔的增长率却随着拉伸量的增大而呈现平缓的趋势。
马少俊[4]2005年在《TC4-DT和TC21钛合金损伤容限行为的宏微观研究》文中研究说明本文采用宏观试验和微观分析相结合的办法，较为系统地研究和评价了TC4-DT和TC21两种新型钛合金的损伤容限行为和性能。研究的内容包括静力性能、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率及门槛值、高周疲劳性能、谱载下的疲劳裂纹扩展行为与寿命估算。研究工作得到的主要结论是：(1) TC4-DT属于中强钛合金，其塑性良好；TC21属于高强钛合金，但塑性较差。相比于片状组织，TC21网篮组织具有较好的综合性能。(2) TC4-DT的K_(IC)明显高于TC4。TC4的表观断裂韧度K_(APP)对厚度很敏感，TC4-DT则不然。TC4-DT有利于发挥片状组织在增韧方面的作用，而TC4则更能发挥双态组织的优异塑性。相比于TC17，TC21具有更好的损伤容限特性。(3) TC4-DT呈现良好塑性和高韧性的特点，TC21呈现强而韧的特点，但TC21的抗断裂和抗扩展性能不如TC4-DT。(4) TC21网篮组织的高周疲劳性能优于TC4-DT片状组织；TC21为单源疲劳而TC4-DT为多源疲劳。(5)引入β修正因子的Willenberg模型所进行的谱载下的疲劳裂纹扩展寿命估算结果与两种合金的试验结果吻合得很好。用Willenberg+IZ模型估算得到的结果与TC4-DT的试验结果吻合较好。
曾宇卓[5]2010年在《汽车用高强度TRIP钢变形力学性能宏微观研究》文中进行了进一步梳理随着汽车轻量化步伐的加快，汽车一方面需要减轻重量以减小对环境的污染，另一方面需要确保安全性。具有相变诱发塑性（TRIP，Transform Induced Plasticity）效应的TRIP钢板作为新型的高强度钢板，同时具有高强度和良好的塑性，是汽车轻量化的理想材料。TRIP钢在室温下的显微组织主要是铁素体、贝氏体和残余奥氏体构成。其中残余奥氏体稳定性较差，在一定塑性变形下，会向较稳定的马氏体转变。生成的马氏体硬化性能比相变前的奥氏体有较大提高，从而改善了材料的塑性。可是，TRIP钢的这种相变诱发塑性特性，同时也带来了性能不稳定等问题，影响了TRIP钢在汽车中的大规模应用。因此，这种新型汽车用钢力学成形性能和微观相变规律的研究，对于推广TRIP钢板的工程应用，缩短新产品的开发周期有着重要的实际意义。本文以宝钢生产的TRIP高强钢板为研究对象，通过静态单向拉伸试验、冲压成形试验、微观扫描电镜实验和X射线衍射实验，研究了TRIP高强钢板的宏观力学性能和微观组织变化规律，基于Johnson-Cook模型，建立了相关材料本构方程，并应用于单向拉伸的数值模拟。主要研究内容如下：1.通过准静态拉伸，在拉断及预应变为5%，10%，15%三种条件，不同拉伸速率为0.5mm/s，0.05mm/s，0.005mm/s的情况下，得到高强度钢板TRIP590、TRIP780的材料力学性能参数及应力应变曲线。2.利用特征模具进行冲压试验，在考虑压边力、坯料形状和截面回弹情况下，研究TRIP钢的冲压成形性能。3.通过对TRIP高强钢的扫描电镜分析实验，了解其微观组织结构及在不同预应变下各组织变化情况；通过X射线衍射实验得到不同变形条件的残余奥氏体体积含量；研究了应变与残余奥氏体相变的关系，TRIP钢预应变和组织转变的关系。4.研究适合TRIP钢的本构模型，建立相关的本构方程。并用数值仿真验证所建立的本构方程。
史文超[6]2009年在《TRIP780高强钢动态变形行为的宏微观研究》文中研究说明相变诱发塑性(TRIP,Transform Induced Plasticity)钢板是一种新型钢板,其室温下的显微组织主要由铁素体、贝氏体和残余奥氏体构成。这种残余奥氏体稳定性较差,在一定的塑性变形量下,会向较稳定的马氏体转变。生成的马氏体的硬化性能比相变前的奥氏体有较大的提高,提高了材料的均匀变形能力,从而改善了材料塑性。本文以宝钢生产的TRIP780高强钢板为研究对象,通过准静态及动态单向拉伸试验、微观金相实验和X射线衍射实验,研究了TRIP780高强钢板的动态变形力学性能,构建了其率相关材料本构模型,并应用于高强钢结构件冲击碰撞过程的数值模拟。通过准静态单向拉伸试验和拉伸条件分别为0.15 m/s,4 m/s,10 m/s,15 m/s四种速度下的动态拉伸试验,得到了不同拉伸速度条件下的材料应力-应变曲线。通过断口形貌和金相组织的观测,分析了TRIP780动态变形过程中相变的情况,并利用X射线衍射实验,对残余奥氏体相变对拉伸性能的影响进行了定量分析。根据对TRIP780的变形行为宏微观的研究,基于Johnson-Cook简化型本构模型,建立了描述其动态力学行为的率相关本构方程,并通过商用软件ABAQUS模拟单向拉伸过程验证了本构方程的正确性。基于所建立的本构方程对高强钢冲击碰撞过程进行了模拟,并和其他两种钢板进行了对比,考察高强钢在碰撞过程中的力学行为和吸能特性,评估材料的使用特性。研究结果表明:TRIP780高强钢是一种兼有高强度和高塑性的应变率强化特性的汽车用钢,具有良好的碰撞吸能潜力;所建立的率相关本构模型实现了对TRIP780钢力学行为的准确描述。
刘天鹏[7]2006年在《受压状态下脆性材料断裂机理的试验研究》文中认为本文主要通过理论分析和试验，对脆性材料的断裂机理及断裂方向进行研究。本文首先从已有的研究结果出发，通过纠正已有研究的失误，讨论了脆性材料发生剪切破坏时，其斜截面上内摩擦力的存在性，并从理论上通过数学推导的方法分析了端面摩擦力、偏压、试验机压头、材料特性等因素对断裂方向的影响；首次对大量铸铁HT200试件进行准静态单轴压缩试验，宏观上观察其危险点和断裂方向。并对试件断面上不同部位进行电镜扫描，通过电镜图片，细观上分析其断裂机理；其次通过不同尺寸的铸铁试件的单轴压缩试验，观察不同试件的断裂机理，并从理论上分析了不同尺寸的试件其单轴抗压强度不同的原因；最后通过大理岩、花岗岩、砂岩三种岩石材料的单轴压缩试验，常规三轴试验，结合断口的电镜图片，分别从宏观和细观上分析了岩石的断裂机理。在此基础上，引入应力三维度这个应力状态参数，来区分不同的断裂机理，并对工程实际中常用的断裂强度准则做了细致的讨论。通过试验和分析，首次发现铸铁等材质较均匀的脆性材料单轴压缩破坏时，危险点位于试件中部，危险点上断裂方向为最大剪应力方向，其压缩破坏是一个复杂的断裂过程，同一断裂面发生了不同的断裂机理，中部断面，发生剪断，而上下端部断面，发生拉断；对于铸铁等材质较均匀的脆性材料，不同尺寸的试件其单轴抗压强度不同的原因主要是由于端面摩擦力影响范围不同；岩石等脆性材料的破坏机理受材料特性和应力状态的影响，随着应力三维度值从高向低依次变化，其断裂机制也将由张拉破坏依次转变为剪切破坏、塑性流动破坏。剪切断裂和塑性流动两种机理的转变是连续的，这主要因为这两种机理都是由塑性形变引起的。而张拉断裂和剪切断裂两种机理转变是不连续的，存在着分岔区，分岔区的大小主要和材料的均匀程度有关。对于同种材料而言，不同的断裂机理，对应着不同的应力三维度分界值；而对于不同的材料，具有不同断裂机理的应力三维度分界值也将不同。
李慧芳[8]2009年在《裂纹扩展机理研究及管板开裂的数值模拟》文中指出断裂是工程材料的主要失效形式,一些严重的断裂问题在化工设备中经常发生,为了防止或减少断裂现象的发生,必须对裂纹扩展的机理进行研究,人们按照裂纹的变形将裂纹分为三种基本形式,但是在工程实际中,大多数裂纹是由基本裂纹形式组成的复合型裂纹,因此,还必须研究裂纹转型问题。本文从微观和宏观两个方面对裂纹起裂和扩展的机理进行研究,并结合工程实践对换热器中的管板开裂进行模拟分析。首先从微观上对Ⅰ型和Ⅱ型裂纹尖端的塑性区和无位错区形状和大小进行了模拟并分析了塑性区和无位错区对裂纹扩展的影响。结果表明,与宏观断裂力学算出的塑性区形状相比,本文给出的Ⅰ型塑性区向裂纹前方倾斜,无位错区的形状与塑性区相似,但是随着位错的发射,塑性区越来越大,无位错区越来越小；并以应变能密度因子理论为判据,得出当存在明显的无位错区时,塑性区使裂纹扩展的潜力下降,但扩展方向不变；而当塑性区充分发展、无位错区的作用减小或消失后,裂纹扩展的方向可能发生变化。Ⅱ型裂纹塑性区形状与应用线弹性裂纹前端应力场按von Mises屈服准则求得的Ⅱ型裂纹塑性区形状有所不同,本研究得出的Ⅱ型裂纹塑性区由三部分组成,且最大部分位于裂纹前方,裂尖周围无位错区形状与塑性区形状相似；从Ⅱ型裂纹裂尖发射的位错能够有效地屏蔽施加在裂纹上的外载荷,但发射出的位错偶对裂纹没有明显的屏蔽作用。随着Ⅱ型裂纹裂尖位错的发射或塑性区的发展,裂纹扩展变得越来越困难,而裂纹潜在的扩展方向不会改变。其次从宏观上对带侧斜裂纹的紧凑拉伸试件进行了疲劳裂纹扩展的实验研究和裂纹尖端应力强度因子的数值计算,研究了复合型裂纹的转型扩展问题。结果发现,随着裂纹扩展,侧斜裂纹表面逐渐转向与外载荷垂直的方向,意味着裂纹从Ⅰ+Ⅲ复合型逐渐向Ⅰ型裂纹转化,且侧斜角越大,裂纹转型越快；对于不同侧斜角试件,Ⅲ型应力强度因子是不同的,但是Ⅰ型应力强度因子变化不大。裂纹转型主要由Ⅲ型成分控制,其转型速率可以表示成Ⅲ型应力强度因子相对幅值的函数；而疲劳裂纹扩展速率主要由Ⅰ型成分控制。然后,对疲劳试件进行断面分析,研究复合型裂纹转型扩展过程中断口形貌的变化以及和裂纹组分之间的关系。结果发现,三种试件疲劳断口的疲劳源呈多源性,裂纹均萌生于紧凑拉伸试件线切割缺口处的微裂纹。与裂纹面不侧斜的标准试件相比,带侧斜角裂纹试件断面在疲劳源区形成了更为粗大的撕裂棱,不同撕裂棱之间的台阶形成了侧斜角试件的线切割斜面；转型过程中试件的断裂面较为粗糙,断口上存在较为粗大的撕裂棱和二次裂纹,而且在二次裂纹周围出现了分支裂纹,说明Ⅲ型成分的存在促进了二次裂纹和撕裂棱的形成。转型后试件的断裂面相对平坦,试件表面的撕裂棱和二次裂纹尺寸变细。最后对一管壳式换热器管板开裂原因进行了研究。建立了液压胀接接头的三维有限元模型,模拟了液压胀接过程并得到了管板中的胀接残余应力；建立了含裂纹管板有限元模型,研究了在液压胀接残余应力或横向压力作用下裂纹沿厚度或管桥方向发生穿透性扩展的可能性。结果发现,在胀接残余应力作用下,不管沿管板厚度还是管桥方向裂纹始终保持张开状态,而横向载荷作用下,在弯曲压应力作用区域内,沿管板厚度和管桥方向的裂纹处于闭合状态,因此,胀接残余应力可能是形成贯穿管板厚度裂纹的原因。
任宁[9]2007年在《木材微观构造对受载断裂的影响方式研究》文中认为为了能从微观尺度上揭示木材的断裂过程，为木材安全应用提供设计依据，本文探讨了木材微观构造对受载断裂的影响方式。本实验分别对红松、山杨、核桃楸和黄波罗进行LR、LT微拉伸和弯曲实验，采用对木材进行预置切口的方法，控制试件的规格和加载速度，实现了利用环境扫描电子显微镜(ESEM)对木材断裂过程的实时监测。通过断裂影像和应力应变曲线分析，实现了不同断裂模式下断裂路径的分析与预测，能够根据木材构造特点判断断口形态和裂纹的发展趋势，如直线型，Z字型和弧形等；分析了导管、纺锤形木射线、早晚材边界、木纤维、木射线和轴向管胞等木材构造分子对木材受载断裂的影响方式。在裂纹扩展过程中，胞间层间的破坏比横穿细胞壁容易的多，导管、早晚材边界和纺锤形木射线均对裂纹扩展起到延迟的作用，裂纹有时会改变原先的扩展方向，顺着这些组织的边缘处进行延展，严重时会造成试件横向劈裂；当导管处于拉伸试件的切口附近或弯曲试件受拉端表层部位时，在初始荷载作用下，导管壁就会出现微裂纹；导管壁上的纹孔由于微纤丝的排列方向发生改变，微纤丝绕过纹孔口而排列，所以在木材断裂时，裂纹会沿着纹孔的边缘扩展，纹孔常呈现出完整形态；裂纹扩展到一组木射线时，在这组外缘断裂的机会要比在木射线内部大的多；由于木纤维的强度较高，除了在切口尖端以及强力作用下，很少形成垂直纤维的直线形断裂。在裂纹扩展的惯性作用下，在纤维和导管间容易出现弧形裂纹。
王力军[10]2005年在《航空铝合金的冲击韧性研究》文中认为运用大型有限元分析软件ANSYS对冲击过程进行了仿真,分析了标准类型缺口冲击试样三维应力场,研究了夏氏V型、梅式U型、夏氏U型和夏氏钥匙型缺口冲击试样横、纵向中面应力状态及应力集中系数和冲击的动态过程,并通过改变缺口深度、曲率半径和缺口夹角,分析了影响冲击试样中面应力分布的形状因素。通过示波式冲击试验机详细记录锻造铝合金LD2的变形断裂过程,并与夏比(Charpy V)型缺口冲击试样有限元分析的结果进行了比较。对典型韧脆性材料的线弹性动态断裂特性进行了研究,建立了冲击载荷作用下动态裂纹起裂及扩展过程的动态分析方法。测试了不同氢含量HZL114A合金的冲击性能,分析了试样金相组织和断口宏、微观断裂特征,研究了不同缺口形式的冲击试样对氢含量的敏感性及断裂机制。通过设计航空铸造铝合金HZL201的热处理工艺,观察合金的宏观断口和变形,金相组织及断口扫描,测试合金的常温冲击、拉伸和硬度常规力学性能,分析了冲击载荷作用下材料的变形断裂过程,并结合拉伸、硬度试验原理,研究了其断裂机制,提出了判定航空铸造铝合金HZL201的韧脆性的一种新方法,且优化出具有综合常温力学性能的HZL201铝合金的热处理工艺。 得出以下主要结论: (1)标准缺口试样存在着相似的应力状态,横向中面等效应力受应
参考文献：
[1]. 材料断裂过程的宏微观研究[D]. 谭鸿来. 清华大学. 1996
[2]. 高温超导复合带材力学行为及变形对临界特性影响的研究[D]. 高配峰. 兰州大学. 2017
[3]. 304不锈钢型材制备与零件成形过程宏微观研究[D]. 游玮. 武汉理工大学. 2014
[4]. TC4-DT和TC21钛合金损伤容限行为的宏微观研究[D]. 马少俊. 北京航空材料研究院. 2005
[5]. 汽车用高强度TRIP钢变形力学性能宏微观研究[D]. 曾宇卓. 湖南大学. 2010
[6]. TRIP780高强钢动态变形行为的宏微观研究[D]. 史文超. 上海交通大学. 2009
[7]. 受压状态下脆性材料断裂机理的试验研究[D]. 刘天鹏. 西安理工大学. 2006
[8]. 裂纹扩展机理研究及管板开裂的数值模拟[D]. 李慧芳. 北京化工大学. 2009
[9]. 木材微观构造对受载断裂的影响方式研究[D]. 任宁. 东北林业大学. 2007
[10]. 航空铝合金的冲击韧性研究[D]. 王力军. 广西大学. 2005