亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展

近十年来, 随着实验技术的发展, 人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入, 实验观测到许多由离散位错主导的新的应力\!--\!应变现象, 它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的. 研究者们试图寻求新的理论模型和计算方法, 提出了考虑位错近程相互作用由背应力主导的缺陷能理论和以离散位错动力学为代表的亚微米尺度晶体塑性计算方法, 旨在描述位错形核、增殖、匮乏和湮灭, 揭示该尺度下塑性流动的机理. 本文从实验观测数据、理论分析模型、离散位错动力学及其与之耦合的连续介质力学计算方法等方面, 综述了亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展.      

实验力学在未来国际上的地位

本文论述了测量和实验技术当前和未来在分析结构、结构单元以及技术系统的位移、应变和应力中所起的作用.今天比以往任何时候都有更多的原因在广泛的领域中采用实验力学的方法。现代先进的新技术,新的测量设备,自动的量测和评价过程已应运而生。先进的测量技术和计算机技术的结合——杂交技术已得到了发展,这些技术使我们能对结构和产品进行优化设计:节省能源和原材料,提高产品质量以及结构和技术系统的可靠性和安全度,管理生产的过程,监控运行系统的安全。这些方法能用于减少技术系统的危险性和对环境的破坏,对发展中国家传授先进的实验力学方法的知识,显得更为重要。     

电子散斑干涉法在研究双材料界面力学行为中的应用

对于复合材料,界面往往是重要的组成部分,也是缺陷极易发生甚至断裂破坏的地方,从而影响材料整体的力学行为。为了考察不同界面缺陷形式以及材料层厚对界面力学行为的影响,应用电子散斑干涉法对金属基上烤瓷的双材料试件进行了实验研究,部分试件与云纹干涉法结果也进行了比较。实验结果表明具有垂直界面裂纹的试件梁抵抗破坏能力大大削弱,而界面处无缺陷的力学性能较好,其中又以金属层与烤瓷层厚比在3附近的较为理想,实验也表明电子散斑干涉法适用于测量绝对或相对微小的位移,灵敏度达到微米级。     

显微拉曼光谱力学实验方法与应用研究进展

显微拉曼光谱是近十余年来实验力学领域迅速发展的一种实验应力分析新方法.相比于大多数的光测力学方法,显微拉曼能够实现对应力/应变相对直接的表征,具有高空间分辨、高测试效率、无损非接触等特点,适合于原位、在线、活体测量.其对本征和非本征应力均敏感,并能够开展多物理参量的协同表征,是当前实验力学领域新方法研究的国际前沿之一,也是微纳米力学实验分析的重要手段.本文首先介绍了显微拉曼力学表征的实验原理,随后论述了拉曼光谱用于力学研究的若干关键技术,然后综述了基于显微拉曼实验的力学前沿研究进展,最后讨论了显微拉曼光谱在实验固体力学领域的发展前景与方向.本文通过对显微拉曼光谱力学实验方法最新理论、技术与应用进展的综述,为从事微尺度、多尺度力学实验领域的科研工作者提供较为系统的信息参考,同时为那些对微尺度光谱力学感兴趣的青年科研人员提供本领域系统全面的知识.     

页岩多尺度力学特性研究现状

页岩储层的力学行为和工程性质,是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。目前,页岩的物理力学特征研究以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想等问题。为此,从页岩多尺度组成、微/纳米力学测试、影响因素和跨尺度均匀化4个层面,综述了国内外页岩多尺度力学研究现状:基于多尺度方法建立的页岩微观-细观-宏观组分模型,为页岩多尺度组成-力学耦合提供理论基础;通过微/纳米力学测试技术,明确适合页岩的力学测量标准,完善影响页岩多尺度测量因素评价;基于开展多尺度力学耦合模型研究,评价多尺度间的组成-力学关系。该研究对深入认知页岩岩石力学特征及破坏机理、丰富岩石力学特性测试与表征方法具有重要作用。     

纳米硬度技术的发展和应用

近二十年来,主要用于检测材料表面微米和亚微米尺度力学性质的纳米硬度技术发展迅速.首先,概述硬度的定义、分类及其适用范围.然后,系统地总结纳米硬度技术的发展,重点介绍纳米压痕硬度的测量原理及其影响因素,连续刚度测量原理,高分辨率的载荷位移测量原理,几种常用压头的几何形状,试样表面的准备和确定,相关的测试方法,仪器校准和显微观察等问题.通过压痕实验可获得硬度、弹性模量、断裂韧性、存储模量和损耗模量、蠕变应力指数等.最后,简要介绍纳米划痕硬度测量技术的发展和应用.      

基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

煤炭是我国的主体能源,煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产.煤体是典型的混合物,其内部不同组分的力学性质差异较大,使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中,导致煤体的失稳、破坏,形成煤矿动力灾害.本文以非均质煤体为研究对象,利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳-微米压入实验,研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质,实验研究结果表明:煤体是有机物和多种矿物组成的混合物,矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中,不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异,这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性;纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构,测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数,识别两者力学性质的巨大差异;微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质,矿物填充量越多,煤体混合物的力学性质越强,同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响.研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征,探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏,为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基...     

固体力学的最小二乘解法

<正> 弹性力学中有以下3种支配方程:(1)以应力分量表示的平衡微分方程;(2)以形变分量表示的相容方程;(3)表达应力-形变关系的物理方程.在数值解法中,位移法设定连续的位移函数,使它满足位移边界条件,位移的连续性确保了相容方程的满足.由物理方程求出应力分量后,按势能极小原理     

固体力学的最小二乘解法

弹性力学中有以下3种支配方程:(1)以应力分量表示的平衡微分方程;(2)以形变分量表示的相容方程;(3)表达应力-形变关系的物理方程.在数值解法中,位移法设定连续的位移函数,使它满足位移边界条件,位移的连续性确保了相容方程的满足.由物理方程求出应力分量后,按势能极小原理     

基于微米力学实验的页岩I型断裂韧度表征

页岩断裂韧度($K_{IC})$是页岩气储层水力压裂设计的基础参数之一,由于组成的非均质性,常规宏观力学测量方法存在制样困难、力学解释参数不连续、精度偏低等问题. 如何及时获取页岩的断裂特性,确保安全高效的工程施工,是当前面临的一大问题. 因此,提出了基于微米力学实验的页岩Ⅰ型断裂韧度分析方法,可用于页岩微裂纹起裂、发育直至形成宏观裂纹的机理研究,进行页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测. 基于页岩多尺度组成分析,开展了维氏压头和玻氏压头的页岩微米力学实验,分析了页岩残余压痕与压头间的相似关系、有效测试载荷以及压头参数的优化与选择. 分析了不同压入载荷下的页岩细观断裂韧度分布特征,开展了宏观巴西圆盘实验,验证页岩微米力学测试方法的适用性. 研究结果表明,在有效载荷范围内的页岩细观Ⅰ型断裂韧度波动性较小,当压入载荷过大时,由于岩样压痕区域出现局部剥落导致断裂韧度测量值偏小. 与宏观实验的比对分析显示,微米力学实验的$K_{IC}$平均值为0.86 MPa$\cdot \sqrt{m}$,直槽切缝巴西圆盘实验得到的$K_{IC}$平均值为0.92 MPa$\cdot \sqrt{m}$,两类方法的统计平均值较为接近,页岩局部组成的非均质性使得微米力学测量结果较宏观测试更为分散. 研究结果可用于页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测,为有效解决页岩气储层水力压裂参数评价提供新的思路和方法.      

穆斯保尔效应与力学测量

本文详述穆斯保尔效应的原理及其在力学测量中的应用。着重讨论穆斯保尔参数之一的同质异能位移(I.S。)跟应力之间的关系。提供了若干实验结果。还对美国研制的穆斯保尔应力分析仪样机作了说明。指出了穆斯保尔效应在应力测量中的宽广前途。      

金瓷双材料力学行为的现代光力学实验研究

金瓷修复体兼具金属强度及陶瓷美观的优点,在口腔医学上得到了广泛应用,但临床上时有发生脱瓷并且又多发生在界面处,针对这种情况,通过研究不同层厚比的金瓷修复体试件梁的界面力学行为,以分析其破坏机理。采用云纹干涉法和电子散斑法对界面具有缺陷形式的试件进行了实验研究。得到裂纹尖端及界面处的位移场,计算了界面断裂强度等参量,并给出了试件制备、实验方法。实验结果表明不同层厚比的试件以及不同界面缺陷形式的试件对抵抗破坏能力均有不同影响;现代光力学实验方法对研究具有小变形的双材料结构力学行为可行、有效。     

动态力学量的光电测试法

本文对光电法用于动态力学量测试的可行性进行了系统的分析和研究,并与传统的电阻应变片法作了比较。结果表明,这一方法能可靠地用于准静态直至=10~5s~(-1)范围内的质点位移、速度、试件应变、应变率、应力和泊松比等力学量的测量,其中质点位移和试件大应变为直接测量,能有效提高测试精度.     

固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。（1）建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度（200 nm~10 μm）晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;（2）建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;（3）通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。     

集中力作用下铝合金材料内部柱状缺陷检测的研究

工程中,构件的内部会因为各种原因不可避免地存在各种损伤或缺陷。本文通过弹性力学理论给出含柱状缺陷的铝合金材料在受到集中力作用下的离面位移场。同时运用电子散斑干涉方法成功地测量出试件缺陷覆盖层在受到集中力情况下的离面位移。理论和实验结果对比表明,利用电子散斑干涉术技术能够精确地测量含缺陷材料表面的离面位移。此实验方法可以作为一种新型的探测物体内部缺陷所处的位置和大小的评估办法。     

实验力学最新进展——————2008国际实验力学会议概况

介绍了2008国际实验力学会议的基本情况.大会报告内容涉及数字图像相关测量、激光干涉测量、光栅应变传感技术、非制冷型红外探测技术等当今实验力学的热点研究领域,以及其它科学领域的发展对实验力学带来的挑战和机遇,尤其是微纳米和多尺度力学问题的研究给实验力学提出的诸多具有挑战性的研究课题.分会场邀请报告和交流论文也充分展示了实验力学各个研究领域的最新研究成果和发展动向.      

连续损伤力学基临界奇异指数与破坏时间预测

响应量在临近破坏时呈现出临界幂律奇异性加速特征,是一种被广泛证实的灾变破坏前兆,并被火山、滑坡和岩石破坏实验等后验预测结果证实为一种对破坏时间进行短临期预测的可行方法.但是,奇异性指数测量值的较大分散性导致了对其具体取值的争议和预测效果的不确定性.因此,理解奇异性指数取值特征及其内在物理控制因素,成为了一个核心问题.本文基于连续介质损伤力学和材料时间相关失效特征,构建了刻画损伤加速发展通向破坏过程的力学模型.导出了恒名义应力蠕变加载和控制名义应力随时间线性增大两种典型加载方式下,损伤和应变率加速发展通向破坏的临界幂律奇异性前兆特征.阐明了临界幂律奇异性指数取值依赖于材料损伤与承受真应力之间的非线性关系这一内在物理根源,表明了实际测量中奇异性指数的分散性不完全归结于测量数据误差,而是有着内在物理控制因素.针对破坏前奇异性指数的不确定性,建议了在未知奇异性指数条件下预测破坏时间的方法,并基于花岗岩脆性蠕变破坏实验进行了验证和说明.      

固体力学的新发展对实验力学提出的挑战

固体力学是一门古老的学科,长期以来主要研究的对象是以连续介质作为其力学模型的,并以整体性的宏观参数来反映结构物或其部件的力学响应,因而,内力、应力、应变和位移就成为固体力学所研究的主要对象。在材料力学、结构力学、弹性理论、     

连续损伤力学基临界奇异指数与破坏时间预测

响应量在临近破坏时呈现出临界幂律奇异性加速特征,是一种被广泛证实的灾变破坏前兆,并被火山、滑坡和岩石破坏实验等后验预测结果证实为一种对破坏时间进行短临期预测的可行方法.但是,奇异性指数测量值的较大分散性导致了对其具体取值的争议和预测效果的不确定性.因此,理解奇异性指数取值特征及其内在物理控制因素,成为了一个核心问题.本文基于连续介质损伤力学和材料时间相关失效特征,构建了刻画损伤加速发展通向破坏过程的力学模型.导出了恒名义应力蠕变加载和控制名义应力随时间线性增大两种典型加载方式下,损伤和应变率加速发展通向破坏的临界幂律奇异性前兆特征.阐明了临界幂律奇异性指数取值依赖于材料损伤与承受真应力之间的非线性关系这一内在物理根源,表明了实际测量中奇异性指数的分散性不完全归结于测量数据误差,而是有着内在物理控制因素.针对破坏前奇异性指数的不确定性,建议了在未知奇异性指数条件下预测破坏时间的方法,并基于花岗岩脆性蠕变破坏实验进行了验证和说明.     

基于数字图像处理的含缺陷花岗岩破裂力学分析

在细观尺度上,采用数字图像处理技术研究花岗岩中由石英、长石和云母等材料的形状、大小及分布对花岗岩材料造成的非均匀性,结合RFPA-DIP程序建立了能准确反映材料真实细观结构的含缺陷花岗岩数值模型,并进行了常规单轴压缩模拟试验,研究不同矿物颗粒结构与缺陷对其细观破裂力学行为的影响,再现了外载荷作用下不同数值模型的真实破裂过程与最终破坏模式.试验结果表明:缺陷对试样强度的影响比改变矿物颗粒的形态构造对其强度的影响更加显著,缺陷的存在削弱了颗粒形态对花岗岩强度影响的能力;缺陷及矿物颗粒的形态构造对试样裂纹的萌生、扩展以及最终破坏模式有直接影响,缺陷与矿物颗粒的空间结构关系是导致岩石形成各种复杂破坏模式的主要因素.起裂应力水平受试样内部细观介质构造和缺陷的影响,而缺陷的存在对起裂应力的影响更加显著.