一种铝合金层裂破坏的分形形貌与微结构的相关性

针对高速冲击下材料的层裂破坏，用盒子计数法和码尺法计算了一种铝合金的层裂剖面的分形维。结合层裂破坏形貌的微观观测讨论了分形标度区范围。测定了材料的微结构分布，对材料中的二相粒子尺寸，晶粒尺寸以及相邻的二相粒子间距的分布，层裂破坏形貌展示的自相似范围和计算分形维数时的标度区范围进行比较，发现相邻的二相粒子间距的分布范围和层裂破坏形貌的自相似范围以及分形维的标度区范围是相当的。     

层裂的分形机理及分维和连接阈值的关系

通过对微裂纹连接的动力学分析，提出了描述层裂损伤演化的统计分形模型，指出分形层裂面的形成机理与层裂中微裂纹级串连接的动力学过程密切相关，由此，得到了一种单峰的分维－连接阈值关系，定性解释了分维随专心韧性单峰变化的实验现象。     

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下，一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷，氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质，而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合，但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用，当初始孔洞数密度达到一定临界值时，材料内部没有新的孔洞成核，因此，层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征，给出了这一临界值的计算方法，并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时，在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上，借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果，对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下，当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时，需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响；反之，可以采用简单的层裂损伤模型，不需要计算孔洞成核，但由于增长孔洞之间的相互影响，损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

层裂微裂纹的形态及层裂程度的表征参量

层裂是冲击载荷造成材料破坏的一种典型方式。文中运用超声Ｃ扫描检测系统对层裂试件的微损伤形态进行检测，确是出在一维应变加载条件下的微裂纹形态呈钱币型；另一方面，根据钱币型微纹形态，通过对层裂损伤演化过程的分析，提出了一个描述层裂程度的无量纲参量，与层裂实验数据的对比说明了这个参量能够很好地描述层裂损伤程度。     

含气多孔介质卸压层裂的间隔特征——突出的前兆

含气多孔介质在卸压下的拉伸破坏有两种模式－层裂和突出，达到或超过临界破坏条件，引发骨架层裂破坏，达到或超过更强一些的临界突出条件，则引发突出，从采煤实践中逐次掘进的长过程看，层裂是已达破坏条件而未到突出条件的情况，进一步发展可能引发突出。实验表明层裂显微镜规律的间隔特征，因而与层裂相关的瓦斯浓度变化和地音信息可以认作是突出的前兆，如果在内部形成破坏区，渗流场与应力场的耦合有可以导致延时突出，石门自     

平面碰撞与强激光加载下金属铝的层裂行为

在轻气炮和神光Ⅱ强激光装置上开展了金属铝的层裂实验。针对激光打靶层裂实验中样品自由面速度剖面后期振荡容易丢失问题,改进靶设计,获得很好效果。利用轻气炮加载和强激光加载层裂实验应变率的显著差异,并通过数值模拟,讨论了在建立具有预测能力的理论建模中需要关注的损伤成核、演化与汇合问题中的材料特性与应变率相关特性因素。结果表明,对于我们以前建立的动态损伤与断裂模型,微孔洞成核的平均半径、阈值压力、成核速率相关参数以及微孔洞长大的阈值压力等具有材料特性属性,但微孔洞的表面能以及决定材料发生完全层裂的临界损伤度等具有明显的应变率效应。另外,分析还发现,虽然层裂强度具有明显的应变率效应,但是在样品层裂当地,样品由持续拉伸向收缩转变的临界行为,取决于一个很小的临界损伤,这个临界值很可能是材料常数,与应变率无关。     

钢纤维混凝土的层裂特征

利用大直径Hopkinson压杆作为实验设备，通过试件后面的吸收杆应变波形分析了钢纤维增强混凝土的层裂特征。实验结果表明，钢纤维混凝土的层裂强度与钢纤维含量、混凝土压缩强度以及加载速率有关，并给出了经验公式。和素混凝土相比，钢纤维混凝土具有更高的层裂强度和更好的阻止损伤演化和裂纹扩展的能力。高速摄影结果表明，钢纤维混凝土层裂时，层裂段的飞离是由于陷在层裂段中应力波的动量效应，而且在层裂段中不易出现再次层裂的现象。这些现象和相同加载条件下素混凝土的层裂破坏有明显差别，说明钢纤维可以很好地提高混凝土抗层裂能力，其结论对相关的数值模拟和防护工程设计有重要意义。     

改进SPH方法在陶瓷材料层裂数值模拟中的应用

为了探讨铝飞片撞击陶瓷材料时的层裂现象,采用改进SPH方法模拟应力波在陶瓷材料中的传播。结果表明,当离散粒子分布不均匀时,数值模拟计算的自由面速度时程曲线与实测曲线吻合良好。对比CSPM方法,改进SPH方法的精度更高。提出适用于数值模拟的陶瓷材料损伤演化方程,对脉冲载荷下陶瓷/钢层合板层裂的破坏过程进行数值模拟,结果表明,由于陶瓷的波阻抗高于钢的,且抗压强度远高于抗拉强度,因此拉应力引起的层裂破坏是主要的。即使在材料内部传播的只是弹性压缩波,当弹性波到达材料界面时,由界面反射引起的卸载波也能导致陶瓷发生层裂破坏。     

纯铜一维动态损伤研究

在Ｊｏｈｎｓｏｎ方法的基础上，本文采用细观方法提出了一个延性材料动态损伤模型。模型中考虑了材料的硬化，应变率效应和惯性效应。同时进行了纯铜一维层裂实验，对软回收试件进行了显微金相和定量金相分析，观察到了一些有意义的力学现象，利用一维Ｌａｇｒａｎｇｅ有限差分动力学程序。采用本文提出的损伤模型对纯铜的层裂过程进行了数值模拟，得到了比较满意的结果。     

预制缺陷的K9玻璃层裂特性研究

层裂问题的核心内容是内部微细观损伤成核及演化规律研究. 利用激光内刻方法, 在K9玻璃样品内部预制相互贯通的初始损伤, 结合火炮加载平板实验和多点DPS测试获得样品自由面粒子速度, 以研究材料内部损伤的动态实时演化过程. 通过所获得的样品自由面粒子速度图像, 分析了层裂振荡周期、未层裂信号和层裂强度等实验现象, 为材料的动态损伤演化过程提供了一些新的认识.      

Dynamic damage constitutive relation of mesoscopic heterogenous brittle rock under rotation of principal stress axes

A micro-mechanics-based model is developed to investigate microcrack damage mechanism of four stages of brittle rock under rotation of the principal stress axes. They consist of linear elastic, non-linear hardening, rapid stress drop and strain softening. The frictional sliding crack model is applied to analyze microcracks nucleation, propagation and coalescence. The strain energy density factor approach is applied to determine the critical condition of microcrack nucleation, propagation and coalescence. The inelastic strain increments are formulated within the framework of thermodynamics with internal variables. Rotation of principal stress axes affect the dynamic damage constitutive relationship and the failure strength of brittle rock.     

Predicting variability in the dynamic failure strength of brittle materials considering pre-existing flaws

We perform two-dimensional dynamic fracture simulations of a specimen in biaxial tension, incorporating various distributions of pre-existing microcracks. The simulations consider the spatial distribution of flaws while modeling the discrete failure processes of crack interactions and coalescence, and predict the macroscopic variability in failure strength. The model quantitatively predicts the effect (on the dynamic failure strength) of different shapes of the flaw size distribution function, the random spatial distribution of flaws, and the random local resistance to crack growth (i.e. strength) associated with each flaw. The effect of changing material volumes on the variability in failure strengths is also examined in relation to the flaw size distribution. The effect of loading rate on the variability in failure strengths is presented in a form that will enable improved constitutive modeling using non-local formulations at the continuum scale.     

Fractal analysis of fracture in concrete

Experimental results indicate that propagation paths of cracks in concrete are often irregular, producing rough fracture surfaces which are fractal. Based on dynamic analysis of microcrack coalescence, this paper presents a statistical fractal model to describe the damage evolution of concrete. The model demonstrates that the mechanism of fracture surfaces formed in concrete is closely related to the dynamic processes of the cascade coalescence of microcracks. A unimodal relation between the fractal dimension and the coalescence threshold can qualitatively explain the relation between fractal dimension and fracture energy.     

电迁移诱发表面扩散下沿晶微裂纹的演化

随着微电子技术的快速发展,铜内连导线的失效问题日益受到关注。基于表面扩散和蒸发—凝结的经典理论及其弱解描述,建立描述电迁移下微结构演化的有限单元法,对铜材料内沿晶微裂纹在电迁移诱发表面扩散下的不稳定外形演化进行了有限元模拟。详细讨论了电场、形态比和晶界能与表面能比值对沿晶微裂纹演化的影响。结果表明：沿晶微裂纹在沿着晶界和电场方向发生漂移的过程中存在分节与不分节两种形貌演化分叉趋势,且裂腔分节存在临界形态比 和临界电场值 。当 或 时,沿晶微裂纹会沿着晶界分节成一大一小两个小沿晶微裂纹。沿晶微裂纹分节时间随形态比和电场的增大而减小,即形态比和电场的增大都使沿晶微裂纹加速分节。而临界电场值 随着形态比的增大而减小;临界形态比 随电场的增大而减小。也就是说形态比和电场的增大还将有助于沿晶微裂纹分节。此外,沿晶微裂纹分节时间要比晶内微裂纹的小,即晶界的存在有助于加速裂腔分节。     

Fracture Strains,Damage Mechanisms and Anisotropy in a Magnesium Alloy Across a Range of Stress Triaxialities

We report on the effect of stress-state triaxiality on damage accumulation leading to fracture at ambient temperature in magnesium alloy AZ31. We find that the strain to failure is weakly sensitive to triaxiality for the conditions investigated, at variance with the behavior of most alloy systems. Using plastic anisotropy measurements, post-mortem fractography and transverse cross-sectioning of specimens at incipient cracking, we discuss the contributions of plastic anisotropy, shear failure and coalescence-controlled cracking to limiting the net effect of stress triaxiality.     

平面撞击对Ti6Al4V合金结构的影响

采用一级轻气炮对Ti6Al4V合金进行对称与非对称正碰撞冲击,回收冲击样品,并进行电镜扫描和X射线衍射分析。结果表明:随着冲击速度的增加,样品发生不同程度的变形,材料内部产生微裂纹并导致材料发生损伤,而损伤进一步促进了微裂纹的产生、扩展;由X射线分析结果可知,冲击使材料的晶面发育更加完整,并在材料冷却过程中出现一种亚稳态结构,在一定程度上可提高冲击韧性。 更多还原     

QUANTIFICATION OF SHEAR DAMAGE EVOLUTION IN ALUMINIUM ALLOY 2024T3

Shear damage may occur in the process of metal machining such as blanking and cutting, where localized shear deformation is developed. Experimental findings indicate that microscopic shear damage evolution in aluminium alloy 2024T3 (A1 2024T3) is a multi-stage mechanism, including particle cracking, micro-shear banding, matrix microcracking and coalescence of microcracks. This study is an attempt to use a set of equations to describe the multi-stage shear damage evolution in Al 2024T3. The shear damage variables in terms of multi-couple parameters of a power-law hardening material have been defined. An evolution curve of shearing damage has been calculated from experimental data. The values of the shear damage variable at different stages of damage have also been calculated. By making use of the findings, the relation between the microscopic shear damage evolution and the macroscopic shear response of the material has been discussed.     

雁形裂纹扩展的模型试验及断裂力学机制研究

通过相似材料模拟试验的方法研究了双轴压缩载荷作用下闭合雁形裂纹的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理，得到了双轴压缩载荷作用下，不同方位雁形裂纹的开裂角、起裂载荷、岩桥贯通载荷及临界失稳载荷等重要的断裂力学参数，提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂纹扩展三种     

COHESIVE ZONE MODELING OF INTERGRANULAR CRACKING OF INTERMETALLIC COMPOUNDS IN SOLDER JOINTS

为研究焊锡接点金属间化合物微结构对其微观-宏观力学行为的影响,采用Voronoi图算法构造了金属间化合物的晶粒尺度几何模型,通过在晶粒界面配置内聚力界面单元,提出了模拟金属间化合物晶粒界面裂纹起裂、扩展与连通的有限元数值模拟方法。基于该方法,研究了晶粒形状和晶粒界面缺陷对晶界微开裂模式和整体响应的影响,研究了金属间化合物微结构对焊锡接点强度和破坏模式的影响。结果表明,晶粒形状对整体强度影响不大,但对微裂纹开裂模式有影响。当考虑晶界随机缺陷时,强度较低的晶粒界面对整体强度影响较大。金属间化合物层的厚度对焊锡接点强度和破坏模式均有影响,而金属间化合物与焊料界面的粗糙度主要影响焊锡接点的破坏模式。     

动态载荷下剪切变形局部化、微结构演化与剪切断裂研究进展

总结和评述了近年来金属与合金变形局部化的形成、微结构演化与剪切断裂方面作者和 相关的研究工作成果. 材料包括低碳钢, SS304不锈钢, Fe-15%Ni-15%Cr单晶, Al-Li合金,α-Ti和Ti-6Al-4V, Al/SiCp复合材料等.综述内容主要包括：采用改进的Hopkinson扭杆装置, 对剪切变形局部化形成、发展和演化过程进行了实验观察与数值模拟;采用"侧剖"与"对接"等定点方法制备 电子显微镜薄膜试样,对剪切带内相变与再结晶、非晶转变、旋涡结构等动态变形现象, 以及与宏观动态力学行为对应的位错胞的形成、发展和坍塌等微结构特征进行了观 测;提出了应变和应变率同时作为剪切带形成的两个必要条件的直接实验证据；在剪切带内发现了α'$-马氏体相变现象,以及相变产物与母体之间的晶体学关系;通过位错单滑移或交滑移等微观剪切最后发展成为 宏观剪切的机制;对剪切带内再结晶结构的观测和对再结晶动力学本构关系的定量 描述;对剪切带特别是``白色'腐蚀带(或相变带)的形成机制的分析和新的解释,指出 ``白色'是带内亚结构取向趋于一致, 其在光学或扫描显微镜下很难辨认这些亚结构的取向差所致,并非表明剪切带内一定 发生了相变;通过截断实验和实时跟踪观测发现,剪切带内微裂纹的萌生与聚合是材料承载能力骤然下降并导致最后断裂的主控因素. 此外,本文对近年来在准静态和循环加载下材料的局部化形变与剪切断裂的实验结果予以简要评 述,指出其微观机制与动态载荷下的截然不同, 是由位错的平面滑移所控制的,与热效应无关的等温变形.