复合材料层板损伤区检测方法的实验研究

复合材料层板损伤区的检测方法是研究复合材料层板损伤破坏机理和演变规律的必不可少的手段。本文通过实验研究总结了渗透剂增强的X射线图象法、影象云纹法和揭层技术等无损或有损检测方法在损伤区检测中的使用工艺及应用范围,指出了渗透剂增强的X射线图象法可给出比较准确的损伤图象;影象云纹法最简便易行且可连续监控;而揭层技术作为一种有损检测方法可给出损伤区的全部细节(包括在层间的位置),是研究损伤破坏机理的有力工具,并可检验或标定其他无损检测方法。     

碳／环氧层合板连接孔的损伤扩展特性

作者通过实验研究了碳纤维增强复合材料迭层板(CFRP)连接孔在温湿环境条件下的静强度和疲劳寿命,实验结果用图表和曲线加以描绘。对“失效”试件,利用“揭层技术”(Deply Tecnique),渗透剂增强的X射线图象法(TBE)以及扫描电镜方法(SEM)进行损伤检测分析,揭示了连接孔周围脱层和纤维断裂等损伤情况,对温湿条件下疲劳寿命降低等实验现象,在细观上进行损伤机理分析。本文并对各种损伤检测方法进行了比较。     

316L不锈钢在Saline溶液中的微动磨蚀行为研究

采用球－平面接触微动磨损试验设备考察了轧制固溶３１６Ｌ不锈钢在Ｓａｌｉｎｅ溶液中的微动磨蚀行为。研究表明,３１６Ｌ不锈钢的微动过程存在显著的阶段性;微动初期为磨合期,第一稳定阶段摩擦副处于高摩擦应力状态,伴随着不锈钢表面缝隙腐蚀与弹塑性损伤的积累;第二过渡阶段和第二稳定阶段不锈钢表面呈微断裂剥层特征,腐蚀引起的微断裂不可忽视,不锈钢微动损伤表面形貌同微动损伤速率之间存在对应关系。     

低温离子渗硫层的摩擦学性能研究

采用低温离子渗硫技术在４５＃ 钢和ＧＣｒ１５ 钢表面形成渗硫层,用ＳＲＶ 往复摩擦磨损试验机分别在干摩擦和液体石蜡润滑下对渗硫层的摩擦学性能进行了研究,用ＳＥＭ、ＥＤＡＸ 和ＸＲＤ研究了渗硫层的形貌和结构,并对磨痕的形貌及成分进行了分析．结果表明：渗硫层表面呈多孔结构,由ＦｅＳ和ＦｅＳ２ 硫化物相及基体相组成;在干摩擦和液体石蜡润滑下,渗硫层具有明显的减摩润滑作用,并在一定程度上提高了材料表面的耐磨性,但渗硫层厚度对摩擦系数影响不大;相同试验条件下,ＧＣｒ１５ 钢渗硫层的耐磨性优于４５＃ 钢渗硫层．     

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料（carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP）是一种多尺度复合材料,比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先,基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程,建立了新的FRP动态渐进损伤模型;然后,利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型,对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟;最后,将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较,并讨论了冲击速度的影响。结果表明:新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌,模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好;冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例,相同的冲击能量下,更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。     

多次激光冲击导致的Ti17合金层裂

为研究激光冲击Ti17合金中厚样品的层裂特性和层裂阈值,对样品（厚5 mm）表面进行单点连续1~8次激光冲击,激光工艺参数为:频率1 Hz,脉宽15 ns,激光能量30 J,方形光斑4 mm×4 mm。采用白光干涉仪、超声波无损检测技术和扫描电镜,分析和检测中厚样品冲击区域的表面形貌、内部损伤以及层裂形貌。实验结果表明,连续从4次到5次激光冲击中厚样品的表面凹坑深度增加值最大为64.5%。连续5次激光冲击为中厚样品层裂阈值,层裂面积随冲击次数增加而增加。连续5~8次激光冲击中厚样品层裂厚度的实验值为280~310 μm。层裂机理为韧性微孔洞的形核、增长和汇合,形成晶界失效和晶内失效。研究结果可为激光冲击强化整体叶盘改性提供工艺参考。     

基于单射流冲击试验的复合材料高速雨滴撞击损伤研究

飞行器高速飞越云雨区时,前表面会受到雨滴的冲击侵蚀。基于一级轻气炮搭建了一种单射流冲击试验平台用于材料雨蚀试验,可产生速度200～600 m/s、直径4～7 mm、头部呈光滑圆弧形的稳定水射流;并对一种碳纤维树脂基复合材料层合板进行了不同速度和直径的单射流冲击试验。结果表明,复合材料单次水射流冲击的典型损伤形貌为:冲击表面凹陷,中心几乎完好无损伤,周围产生一环状损伤带,环内有树脂去除、基体开裂、少量纤维断裂等损伤形式;内部损伤主要由基体开裂和层间分层组成。损伤尺寸呈现典型的各向异性,纵向尺寸大于横向尺寸;随射流速度和直径的增加,表面环状损伤和内部损伤的尺寸均向外扩展,环状损伤面积和内部分层面积也随之增加。水锤压力的压缩和卸载、侧向射流的剪切和应力波的相互作用是造成复合材料单射流冲击损伤的主要机理。     

摩擦-电化学噪声法研究Mo改性钛合金的腐蚀-磨损行为

利用等离子表面改性技术在Ti6Al4V合金基体上制备Mo渗镀复合改性层,考察改性层组织结构,利用微动摩擦学试验机并结合电化学噪声技术对比研究基材及改性层在0.5 mol/L NaCl溶液中的腐蚀-微动摩擦学行为,对腐蚀-摩擦过程中的噪声参数进行分析.结果表明:纯Mo改性层能够明显改善钛合金的耐磨和减摩特性;同时提高了合金在0.5 mol/L NaCl溶液中的自腐蚀电位及降低了腐蚀电流,改善了合金表面的腐蚀-摩擦学性能.     

乳化液润滑冷轧铝板表面缺陷分析

针对乳化液润滑冷轧铝板表面出现的黑色条纹状缺陷及腐蚀斑缺陷进行了研究,分别使用表面形貌仪、扫描电子显微镜对铝板的表面形貌和表面微观结构进行了观测。使用能量色散光谱和X射线光电子能谱对铝板表面的化学成分进行了分析,并探讨了表面缺陷产生的机理。结果表明：表面发黑缺陷是由于润滑失效导致表面出现微裂纹造成的,而腐蚀缺陷是由于局部残留水的作用在铝板表面发生电化学反应从而形成较厚的氧化层。     

含纳米粒子溶液对单晶硅表面的冲蚀磨损损伤实验研究

利用高分辨透射电子显微镜和原子力显微镜观察了含纳米颗粒溶液冲蚀硅片表面损伤行为,考察了纳米颗粒碰撞单晶硅片所导致的微观物理损伤.结果表明:冲蚀30 s后,在高分辨透射电子显微镜下可见硅片表面呈现方向性损伤,并可观察到大量非均匀的晶格缺陷;当冲蚀10 min时,硅片表面出现微观划痕和凹坑,在划痕一端可见原子堆积,亚表面可观察到镶嵌晶粒的非晶损伤层;继续延长冲蚀时间将加剧其表面损伤.     

降载勾线法在高强钢疲劳断裂试验中的应用

制作高强钢特征试件,在压、弯应力共同作用下进行疲劳断裂试验;结合疲劳辉纹产生机理,采用降载勾线法在试件断面制造出“海滩状花纹”;利用CAD软件描绘断面形貌并测量裂纹长度,用Newman-Raju理论进一步研究表面裂纹扩展的规律,并与试验值比较.结果表明降载勾线法可以解决高强度钢表面裂纹不易测量及断面难以观测到疲劳辉纹的问题;采用Newman-Raju公式模拟压弯组合应力下表面裂纹扩展形貌是合适的,但由此计算的疲劳寿命偏于保守.另外,当压弯应力比值较小时,计算扩展形貌时压应力可以忽略,而计算疲劳寿命时压应力不可忽略.     

一种弹性损伤材料的Ⅲ型裂纹解

本文用复变函数中保角映射的方法求得了一种弹性损伤材料的 Ⅲ 型裂纹在小范围损伤条件下的全场解。给出了损伤区形状、损伤耗散能、裂纹表面剪开位移及损伤区前方应力分布等数值结果。为校核小范围损伤条件,还计算了距裂纹尖端不同远处本文解与k_Ⅲ 场之差。     

考虑表面效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射,研究了远场反平面剪切载荷作用下考虑表面效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能。给出了孔边应力场解答,获得了裂纹尖端应力强度因子解析解答。数值算例讨论了应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律。结果表明：当三角形孔尺寸在在纳米量级时,无量纲应力强度因子受孔隙尺寸影响显著;随着三角形孔尺寸的增大,本文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随裂纹长度的增加,数值先增大而后减小;裂纹相对长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著。     

An Interface Crack for a Functionally Graded Strip Sandwiched Between Two Homogeneous Layers of Finite Thickness

In this paper, the behavior of an interface crack for a functionally graded strip sandwiched between two homogeneous layers of finite thickness subjected to an uniform tension is resolved using a somewhat different approach, named the Schmidt method. The Fourier transform technique is applied and a mixed boundary value problem is reduced to two pairs of dual integral equations in which the unknown variables are the jumps of the displacements across the crack surface. To solve the dual integral equations, the jumps of the displacements across the crack surfaces are expanded in a series of Jacobi polynomials. This process is quite different from those adopted in previous works. Numerical examples are provided to show the effects of the crack length, the thickness of the material layer and the materials constants upon the stress intensity factor of the cracks. It can be obtained that the results of the present paper are the same as ones of the same problem that was solved by the singular integral equation method. As a special case, when the material properties are not continuous through the crack line, an approximate solution of the interface crack problem is also given under the assumption that the effect of the crack surface interference very near the crack tips is negligible. Contrary to the previous solution of the interface crack, it is found that the stress singularities of the present interface crack solution are the same as ones of the ordinary crack in homogenous materials.     

A theoretical analysis on stochastic behaviour of short cracks and fatigue damage of metals

In this paper, the closed form of solution to the stochastic differential equation for a fatigue crack evolution system is derived, and the relationship between metal fatigue damage and crack stochastic behaviour is investigated. It is found that the damage extent of metals is independent of crack stochastic behaviour if the stochastic deviation of the crack growth rate is directly proportional to its mean value. The evolution of stochastic deviation of metal fatigue damage in the stage close to the transition point between short and long crack regimes is also discussed.     

短裂纹随机行为与金属疲劳损伤的理论分析

近似求解了微裂纹演化系统随机偏微分方程。结果表明：当裂纹扩展速率的随机偏差正比于其平均速率时，材料损伤不随裂纹随机行为而变化。同时，还讨论了金属疲功损伤随机波动程度的变化趋势。     

A special crack tip displacement discontinuity element

Based on the analytical solution to the problem of a constant discontinuity in displacement over a finite line segment in the x, y plane of an infinite elastic solid and the note of the crack tip element by Crouch, in the present paper, the special crack tip displacement discontinuity element is developed. Further the analytical formulas for the stress intensity factors of crack problems in general plane elasticity are given. In the boundary element implementation the special crack tip displacement discontinuity element is placed locally at each crack tip on top of the non-singular constant displacement discontinuity elements that cover the entire crack surface. Numerical results show that the displacement discontinuity modeling technique of a crack presented in this paper is very effective.     

Crack shielding and material deterioration in damaged materials: an antiplane shear fracture problem

Summary A simple damage evolution model is proposed for a quasibrittle material in the framework of continuum damage mechanics. The model is used to obtain a closed form solution for a mode-III stationary crack under small scale damage conditions. It is found that the crack tip stress intensity factor is reduced, i.e., the crack is shielded by the damage. However, this shielding effect is completely offset by the material deterioration caused by the damage. It also holds for steady state crack growth. When the most effective shielding is reached for the stationary crack, the zone dominated by the stress intensity factor shrinks to the crack tip. The results for the antiplane shear problem should shed some light on the in- plane fracture problem. Received 4 August 1997; accepted for publication 7 October 1997     

二维半圆孔附近的动态热应力分布

在稳态温度场中,由于弹性平面内半圆孔或半圆坑等缺陷在介质裂纹扩展和疲劳损伤机理中所起的作用,因此深入了解半圆孔或半圆坑的表面动态热应力分布显得很有必要．分析在半无限弹性平面内一半圆孔附近施加稳态调谐温度场条件下的半圆孔孔边动态热应力分布问题,利用共形映照等复变函数的方法,给出了汉克函数表示的此问题的解析解,并给出了相应动态热应力分布系数的数值结果．