高温合金材料热机械疲劳实验技术

本文以ＡＩＳＩ３１６Ｌ不锈钢材料为例介绍了高温低周应变控制热机械疲劳（ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＦａｔｉｇｕｅ）试验，温度循环和机械应变循环为相同频率，它们间的相位关系分为同相位和反相位两种．温度循环范围选为２５０～５００℃和２５０～６５０℃两种．通过计算机自动控制的实验系统所得到的试验数据，探讨了热机械疲劳应力－应变响应，裂纹萌发和扩展的性质，材料微观损伤分析和温度范围变化对疲劳性能和寿命的影响．对疲劳试验过程中循环回滞曲线的分析，给出了材料硬化阶段和循环稳定阶段的特性．     

循环载荷下滞回环与石膏损伤破坏性能的关系

为了探求石膏的破坏与循环加卸载下滞回环面积的关系,石膏在自然以及饱水状态下滞回环的变化规律,以及滞回环面积与石膏强度的联系,利用CMT5305试验机对自然和饱水状态下的石膏进行单轴循环加卸载实验。对两种状态下石膏的应力-应变曲线进行分析,并计算出滞回环的面积,绘制出其面积变化曲线。结果表明,滞回环的面积随着加载载荷的增加而增加,且增长速率越来越快;饱水状态下的石膏滞回环面积明显小于自然状态下的石膏,且破坏方式和破坏程度不同于自然状态下的石膏;同一试样的两个相邻滞回环面积之差,代表了岩石损伤的速率,且石膏的损伤速率整体呈增加趋势。     

基于数字图像相关的激光修复镍基合金疲劳损伤表征方法研究

开展激光修复镍基合金的疲劳试验，对研究修复材料疲劳性能及分析其失效行为具有重要意义。疲劳过程中，试件产生局部损伤，会导致材料力学性能恶化。如何建立光学变形场与疲劳损伤参数的定量关系实现对疲劳损伤的有效表征，是实验力学领域备受关注的问题。从激光修复镍基合金疲劳失效行为研究的需求出发，本文建立了基于单相机三维数字图像相关的疲劳光力学测试系统，并设计了包含“修复基体-修复边界-修复区”的组合型拉伸疲劳试件，在建立的测试系统下可同时测量和表征试件三种区域的全场变形。利用所建立的测试系统，实现了激光修复材料在拉-拉疲劳过程中的全场变形在线测量，得到了不同疲劳周次下的试件基体、修复边界和修复区的位移场与应变场；根据测量得到的应变场提出了疲劳中以试件历经不同循环周次后的残余应变为损伤参量的表征方法，并获得了修复镍基合金试件疲劳过程中残余应变场的演化规律。试验结果表明，在疲劳过程中，试件残余应变场内存在应变集中现象，应变集中幅值随疲劳周次的提高而增加，试件残余应变集中区域内的应变集中值远高于非应变集中区域，因此根据该结果可有效地预测疲劳裂纹萌生的时机与位置。     

四川盆地红层砂泥岩循环加卸载动力学特性研究

四川地震多发，广泛分布于该区域的红层岩石的动力学是许多重大工程建设和运营安全的重要影响因素。因此，本文针对3种典型红层砂泥岩（粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩），开展了不同动应力幅值的单轴循环加卸载试验，结果表明：在相同动应力幅值下，粉砂质泥岩与细砂岩的滞回环相对面积、阻尼比、阻尼系数及泥质粉砂岩的滞回环相对面积、阻尼比均随着循环周次呈对数递减，而泥质粉砂岩的阻尼系数随着循环周次呈开口向下的二次多项式分布；在相同循环周次下，随着应力幅值增大，滞回环相对面积均呈指数递增，粉砂质泥岩和泥质粉砂岩的阻尼比呈指数递增，阻尼系数呈开口向下的二次多项式分布，细砂岩的阻尼比和阻尼系数均呈对数递减。     

焊接金属疲劳裂纹萌生寿命估算方法的研究

疲劳裂纹萌生阶段在整个疲劳破坏过程中占有极为重要的地位，而萌生阶段的裂纹体损伤规律用长裂纹断裂力学方法是无法确定的．以萌生阶段中塑性滞回能作为控制参量，根据实验数据拟合出疲劳损伤的连续曲线，得到裂纹萌生寿命估算公式．     

焊接接头局部塑性行为的循环压痕实验研究

基于纳米压痕技术,对转子钢焊接接头不同区域(母材、焊缝和热影响区)开展了压入位移控制的单向压痕实验和压入载荷控制的循环压痕实验研究.首先,通过压入位移控制的单向压痕实验,采用多次测试取平均值的方式获得了焊接接头各个区域的弹性模量和硬度分布特征,同时对各区域弹性模量中值点的载荷-压入深度曲线进行了分析;其次,对各个区域进行压入载荷控制的循环压痕实验,比较其压入深度随循环周次的演化特征.结果表明,焊接接头不同区域力学性能差异较大,热影响区的弹性模量、硬度、抗拉强度和抗循环变形能力最高,焊缝次之,母材最弱;三个区域在循环压痕载荷下的接触载荷-压入深度滞回环曲线均表现出类似棘轮变形的演化特征,且母材演化速度高于焊缝,高于热影响区.研究结果对汽轮机焊接转子的焊接工艺的优化、寿命预测和可靠性设计具有重要的借鉴意义.     

循环荷载下硅藻土应变和孔压特性

针对嵊州硅藻土的高结构性及地基应力场的复杂多变，应用GDS 动三轴仪进行不同围压和不同循环应力比下的不排水循环加载试验，分析应力-应变滞回曲线演化、应变累积特性、回弹特性及孔压特性．研究表明：循环应力比及围压对原状硅藻土应变和孔压的发展规律影响明显，随着循环应力比的增加，滞回曲线由线性状态转变为非线性状态，且逐渐向x 轴倾斜，累计应变和回弹应变都随着循环应力比的增加而略微增加，但总应变基本小于2 %；残余孔压比随循环应力比增大而增大，范围为0.1~0.5．并且存在一个临界循环应力比，其值随有效围压的增大而减小，范围为0.8~2.2，当循环应力比大于该值时，试样内部产生一个破裂面迅速发生破坏．在相同循环应力比下，试样的应变随着有效围压的增大而增大．     

Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析

本文对结构用钢Q345的低周疲劳性能进行了试验研究。试验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机上进行,采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005s-1,应变比为-1。试验结果表明,初始阶段,Q345在高应变幅值(0.6%)循环作用下出现循环硬化效应,而在低应变幅值(0.6%)作用下出现循环软化效应;随着加载应变幅的增加,硬化和软化率呈直线上升趋势。Q345疲劳裂纹萌生阶段占其整个寿命的60%以上,其裂纹萌生寿命与应变幅存在幂函数关系。根据Coffin-Manson公式得到了Q345的应变-寿命关系公式;采用能量预测法得到了材料的塑性应变能与疲劳寿命的关系表达式。上述结果对钢结构的设计、评估具有重要的工程应用参考价值。     

应用数字散斑相关技术研究缺口根部高温疲劳变形

应用数字散斑相关技术研究了耐热合金试件在450°环境中缺口根部的弹塑性变形及其与疲劳循环次数的相关性。疲劳试验在单边带缺口的拉伸板状试件上进行。试件由耐热合金GH4169材料制成，试件表面预先通过离子溅射法制作了离散的金粒散斑图。试验采用逐级循环加载和疲劳循环加载交替的方式进行。首先进行逐级循环加载，将最大载荷Pmax平均分成8级，由0逐级加载至最大载荷，再由最大载荷逐级卸载至0；同时由图像系统半自动地、连续同步地采集系列散斑图。然后按0→Pmax→0加载方式，连续进行250次疲劳循环加载。逐级循环加载和疲劳循环加载不断交替，直至疲劳断裂。利用数字散斑相关技术计算出缺口根部的弹塑性应变，进而求出缺口根部应变、名义迟滞回线面积及斜率与疲劳循环次擞的相关性。试验结果对于耐热合金材料的疲劳寿命研究很有意义。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷，首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点，建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联，建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型，根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处，并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证，结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高，所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律，尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好，验证了模型的合理性．     

确定微纳米尺度金属薄膜拉伸分叉点的实验研究

为了确定微纳米尺度金属薄膜的拉伸分叉点,本文使用磁控溅射镀膜技术,在PI(聚酰亚胺)基底上沉积500nm厚的铜薄膜,制作薄膜/基底结构拉伸试件。在单轴拉伸作用下,通过测量拉伸加载过程中铜薄膜的电阻变化情况,得到薄膜电阻随应变变化的关系,并与理论推导的结果进行对比分析,从而确定了塑性阶段理论曲线与实验曲线分离的点,即铜薄膜的分叉点。以此为基础,研究了铜薄膜在单轴拉伸作用下的分叉行为。研究结果表明,沉积于PI基底上的微纳米尺度铜薄膜在单轴拉伸下,经过弹性变形阶段后,很快就发生分叉,然后产生破坏,而塑性变形阶段和局部化阶段较短;弹性阶段薄膜的电阻变化速率很小,塑性阶段薄膜的电阻变化速率稍有增大,而当薄膜表面开始出现微裂纹后,电阻变化速率急剧增大。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

An experimental study of inhomogeneous cyclic plastic deformation of 1045 steel under multiaxial cyclic loading

An experimental study was conducted on the inhomogeneous cyclic plastic deformation of 1045 steel under multiaxial cyclic loading. Thin-walled tubular specimens were used and small strain gages were bonded on the specimen surface to characterize the local deformation. The controlled loading paths included cyclic tension–compression, cyclic torsion, proportional axial-torsion, 90°-out-of-phase axial-torsion, and fully reversed torsion with a constant axial stress. The maximum stress in each experiment was lower than the lower yield stress of the material. It was found that the cyclic plastic deformation within the gage section of the specimen under multiaxial stress state followed the three-stage process that was observed from uniaxial loading, namely, incubation, propagation, and saturation. The plastic deformation was significantly inhomogeneous during the propagation stage, and the inhomogeneity continued through the saturation stage. The duration of each stage and the saturated strains were dependent on the cyclic stress amplitude and the loading path. Multiaxial stress state reduced the incubation stage. With identical equivalent stress magnitude, the nonproportional loading path resulted in the shortest incubation and propagation stages, and the saturated equivalent plastic strain magnitude was the smallest. Although the deformation over the gage section was inhomogeneous, the plastic deformation in a given local area was found to be practically isotropic.     

基于Hopkinson压杆的M型试样动态拉伸实验方法研究

采用传统分离式Hopkinson压杆进行M型试样的动态拉伸实验，可避免试样与杆的连接问题，但该方法并未得到发展和验证。本文中，采用有限元数值分析和实验方法，对M型试样动态拉伸实验进行分析和改进。结果表明:（1）改进的封闭M型试样，可以增强试样整体刚度，有效减少试样畸变引起的附加弯矩对拉伸标段的影响，方便通过Hopkinson压杆加载实现一维拉伸变形；（2）采用试样刚度系数修正法，可消除M型试样整体结构的弹性变形对测试的影响，精确获得试样拉伸标段的塑性应变；（3）高加载率下，建议采用波形整器加载，可显著减少试样结构引起的载荷震荡现象、改善两端的应力平衡，获得准确的动态拉伸应力应变曲线，实现5 900 s?1甚至更高应变率下的动态拉伸实验。研究方法可为M型试样拉伸实验设计和应用提供参考。     

双相不锈钢循环微变形行为的原位试验研究

对双相不锈钢开展拉伸和应力循环控制下的原位试验研究,选择特征区域对其局部微变形行为的产生、分布和演化进行了研究和讨论．结果表明：双相不锈钢在较低的载荷作用下内部出现明显的应变梯度,随着拉伸载荷或循环周次的增长,其局部微应变不断增加,最大应变在奥氏体相、小晶粒、狭窄晶粒和不平整的晶界区不断汇集,同一时刻的局部最大微应变远大于宏观应变;循环载荷作用下双相不锈钢在微观尺度产生了局部微棘轮变形效应,微棘轮应变随着循环周次的增加不断累积,其增长速度逐渐降低并趋于饱和;随着循环周次的增加,最大微棘轮变形区逐渐扩展、联通形成大塑性变形带,晶粒走向呈45°方向时,变形带贯穿两相向垂直加载方向发展,而晶粒呈树根状走向时,由于受到两相交互和铁素体的阻碍作用,微棘轮变形带主要集中在奥氏体中沿着奥氏体晶粒走向发展．     

钢板剪力墙结构的耗能能力

在钢板剪力墙结构(简称SPSW)基于能量的性态抗震设计中,需要合理计算有不同滞回特征构件的滞回耗能.为反映剪力墙板滞回曲线的捏缩特征,本文提出了过程捏缩系数及平均捏缩系数,给出了剪力墙板滞回耗能的计算方法.采用数值方法细致分析1榀梁柱刚接的单层、单跨钢板剪力墙结构的滞回性能及耗能能力,并设计了12榀梁柱铰接的单层、单跨SPSW试件,考察了跨高比及高厚比两个参数对剪力墙板滞回性能的影响,总结了捏缩系数的变化规律,提出了简化计算公式.     

双向拟静力加载规则对钢筋混凝土高墩滞回性能的影响

通过四种不同双向加载规则的钢筋混凝土高墩拟静力试验,初步研究了双向拟静力加载规则对其滞回特性的影响规律。本文主要介绍钢筋混凝土高墩的试验构件设计,加载装置、测试方法和加载规则,着重比较了对角线加载、正方形加载、菱形加载和圆形加载等四种加载规则的钢筋混凝土高墩的滞回性能,包括荷载-位移滞回曲线、荷载-位移骨架曲线、荷载退化、刚度退化以及累积滞回耗能的特点,并分析这些特点与双向加载规则之间的关系。结论认为:对角线加载模式加载效率高且能较好反映高墩双向抗震滞回性能,适合于高墩的双向拟静力试验研究。     

膨胀环受力历史对应力应变关系的影响

利用两类实验装置开展了无氧铜TU1膨胀环实验研究，发现:电磁膨胀环在加载阶段，样品受体力作用，满足均匀变形的假定；而爆炸膨胀环在加载阶段，样品内壁受面力冲击作用，不满足均匀变形的假定。针对这个差异，发展了一种考虑冲击阶段变形不均匀性的新方法，利用回收样品几何变形，将冲击阶段试样环内轴向塑性应变、径向塑性应变纳入等效塑性应变的计算中，通过修正后的方法更准确地获得了材料的应力应变关系。     

M-shaped Specimen for the High-strain Rate Tensile Testing Using a Split Hopkinson Pressure Bar Apparatus

An experimental technique is proposed to determine the tensile stress–strain curve of metals at high strain rates. An M-shaped specimen is designed which transforms a compressive loading at its boundaries into tensile loading of its gage section. The specimen can be used in a conventional split Hopkinson pressure bar apparatus, thereby circumventing experimental problems associated with the gripping of tensile specimens under dynamic loading. The M-specimen geometry provides plane strain conditions within its gage section. This feature retards necking and allows for very short gage sections. This new technique is validated both experimentally and numerically for true equivalent plastic strain rates of up to 4,250/s.     

Experimental investigation of cyclic and time-dependent deformation of titanium alloy at elevated temperature

A novel cyclic deformation test program was undertaken to characterize macroscopic time dependent deformation of a titanium alloy for use in viscoplastic model development. All tests were conducted at a high homologous temperature, 650 °C, where there are large time dependent and loading rate dependent effects. Uninterrupted constant amplitude tests having zero mean stress or a tensile mean stress were conducted using three different control modes: strain amplitude and strain rate, stress amplitude and stress rate, and a hybrid stress amplitude and strain rate. Strain ratcheting occurred for all cyclic tests having a tensile mean stress and no plastic shakedown was observed. The shape of the strain ratcheting curve as a function of time is analogous to a creep curve having primary, steady state and tertiary regions, but the magnitude of the ratchet strains are higher than creep strains would be for a constant stress equal to the mean stress. Strain cycles interrupted with up to eight 2-h stress relaxation periods around the hysteresis loop, including hold times in each quadrant of the stress–strain diagram, were also conducted. Stress relaxation was path-dependent and in some cases the stress relaxed to zero. The cyclic behavior of these interrupted tests was similar even though each cycle was very complex. These results support constitutive model development by providing exploratory, characterization and validation data.