45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度 (覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模 拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴 应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉 伸断裂应力,在102~104s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。     

塑性动态断裂实验研究

本文利用自制的实验装置,对韧性材料在爆炸冲击载荷作用下的塑性动态断裂特性,进行了实验研究,其中包括高塑性应变速率下,塑性区裂纹扩展过程和扩展速度的测试;塑性动态断裂韧性CTOD,及其在不同裂纹扩展速度下变化规律的测试。同时,对不同裂纹扩展速度的试件断口进行微观分析。     

爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究

采用前照明的高速分幅照相对不同壁厚的45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀破裂过程进行了研究,实验成功拍摄到45钢柱壳前表面裂纹生成、扩展及产物泄漏的过程图像。研究表明:膨胀应变率在104s-1附近时,随着应变率的增加,45钢柱壳的各特征应变均有所增加,断裂模式由拉剪混合向单一剪切转变;45钢柱壳的膨胀破裂有一个过程,从柱壳的外壁面可以观察到裂纹生成至产物开始泄漏经历时间历程的长短与柱壳壁厚相关,柱壳壁越厚,从外壁出现裂纹到产物开始泄漏的时间间隔越长;由回收破片厚度测量推算出的膨胀断裂应变与动态实验过程中产物开始泄漏时的断裂应变基本一致。     

激光辐照下预内压低碳钢圆柱壳爆裂断口分析

通过实验揭示了预内压低碳钢薄柱壳在激光辐照下裂纹萌生、扩展和止裂过程的较完整物理图象。对断口特性进行了深入分析，发现辐照区上裂纹的形成和扩展机制以韧性为主，断口在柱壳壁厚度方向有明显分层，如外层为塑性变形层，内层是韧窝或层状撕裂，部分试件的最内层出现脆性石头状断口。给出了激光辐照区应力分布与裂纹萌生之间的关系，同时探讨了激光辐照区材料金相组织变化对材料细观损伤和初始裂纹萌生的影响，有助于进一步对激光辐照下柱壳的断裂问题进行更深入的理论研究。     

铝锂合金微裂纹—短裂纹生工过程的实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验，动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化一裂纹的萌生及扩展直至断裂的全过程，并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响，微裂纹向短裂纹，长裂纹发展的判据，该实验材料是模型材料，晶界结合强度较弱，裂纹沿晶开裂现象较多，经对实验结果及金相裂纹分析，表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响，晶界作为一种物质界面在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速     

铝锂合金微裂纹-短裂纹生长过程的实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验，动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化及微裂纹的萌生及扩展直至断裂的全过程，并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响，微裂纹向短裂纹、长裂纹发展的判据．该实验材料是模型材料，晶界结合强度较弱，裂纹沿晶开裂现象较多．经对实验结果及金相裂纹分析，表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响．晶界作为一种物质界面存在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速率及发展行为有较大影响．     

预冷变形对Cu-Ni-Si铜合金疲劳性能和破坏行为影响研究

为了研究预冷变形处理对Cu-Ni-Si铜合金的疲劳性能和破坏行为的影响,对含有预冷变形处理和不含预冷变形处理的Cu-Ni-Si铜合金进行拉伸实验、疲劳实验、裂纹扩展实验等相关实验,并通过扫描电镜对试样疲劳断口进行观察。结果表明,预冷变形处理大幅提高了材料机械强度、降低了材料韧性,同时使疲劳强度降低,其中,107寿命对应疲劳强度下降4.7%。试样的疲劳破坏均萌生自表面的晶体滑移,预冷变形处理的试样在裂纹扩展阶段表现为穿晶破坏,而不含预冷变形处理的试样在裂纹扩展阶段表现为沿晶和穿晶的混合破坏模式。预冷变形处理试样在裂纹稳定扩展阶段,表现为剪切型破坏,而不含预冷变形处理的试样在裂纹萌生后,裂纹转向在最大拉应力面内扩展直到最终的破坏。由上述结果可知,预冷变形改变了Cu-Ni-Si铜合金的疲劳破坏行为,从而影响了其疲劳性能。     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

核电690合金传热管微动疲劳试验及损伤机理分析

核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳,导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂,从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律,开展690合金管管材的微动疲劳试验,获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线,并与相关研究数据进行对比分析,以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测,分析磨损表面的损伤机理;对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征,分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损;690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源,裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展,最终导致断裂;其断裂形式为解理疲劳断裂.      

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS，又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术，研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响，获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比，垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程，导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位，最终低于无垫片区域约0.34 mm，该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂；实验结果还表明，在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹，该断裂模式既不同于环向拉伸断裂，也不同于45°的剪切断裂，而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致，这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明，装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应，还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异，以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。     

Fracture in metal powder compaction

This paper presents a preliminary assessment and qualitative analysis on fracture criterion and crack growth in metal powder compact during the cold compaction process. Based on the fracture criterion of granular materials in compression, a displacement based finite element model has been developed to analyse fracture initiation and crack growth in metal powder compact. Approximate estimation of fracture toughness variation with relative density is established in order to provide the fracture parameter as compaction proceed. A single crack initiated from the boundary of a multi-level component made of iron powder is considered in this work. The finite element simulation of the crack propagation indicates that shear crack grows during the compaction process and propagates in the direction of higher shear stress and higher relative density. This also implies that the crack grows in the direction where the compaction pressure is much higher, which is in line with the conclusion made by previous researchers on shear crack growth in materials under compression. In agreement with reported work by previous researchers, high stress concentration and high density gradient at the inner corner in multi-level component results in fracture of the component during preparation.     

Localization,delocalization and compression fracture in externally pressurized thick cross-ply (very) long cylindrical shells with material non-linearity: A multi-scale and multi-physics analysis

Compression fracture in carbon fiber reinforced plastics (CFRP) involves multiple physical mechanisms operating at multiple scales ranging from angströms to cms and beyond. First, at the macro/meso-scale, combined effects of modal imperfections, transverse shear/normal deformation along with the non-linear hypo-elastic transverse shear (G_TT) material property on the emergence of interlaminar shear crippling type instability modes, related to the localization (onset of deformation softening), delocalization (onset of deformation hardening) and propagation of mode II compression fracture/damage, in thick imperfect cross-ply very long cylindrical shells under applied hydrostatic pressure, are investigated. The primary accomplishment is the (hitherto unavailable) computation of the layer-wise mode II stress intensity factor, energy release rate and kink crack band-width, under hydrostatic compression, from a non-linear finite element analysis (FEA), using Maxwell’s construction and Griffith׳s energy balance approach. Numerical results include the effects of hypoelastic (G_TT only) material property, on localization and delocalization leading to compression fracture.At the micro-scale, a novel three-dimensional eigenfunction expansion technique, based in part on separation of the cylinder length-variable and partly utilizing a modified Frobenius type series expansion in conjunction with an affine transformation to compute the local stress singularity, in the vicinity of a kinked-fiber/matrix trimaterial junction front. Such computed stress singularities represent a measure of the degree of inherent flaw sensitivity of unidirectional CFRP under compression. Finally, dislocation glide in graphite crystallites plays a dominant role in kink band nucleation and propagation at the nano-meter scale.     

含预制裂纹L形梁柱试件动态断裂过程

针对含预制裂纹L形梁柱试件,为研究预制裂纹动态扩展的力学特征及其对梁柱试件破坏模式的影响,采用数字动态焦散线实验系统,对距节点核心区不同距离l处含有预制裂纹的试件进行落锤冲击实验,得到预制裂纹的扩展轨迹、速度、动态应力强度因子的变化规律。结果表明,l值增大,扩展裂纹在梁下边缘的贯通点与预制裂纹的夹角逐渐增大,曲裂程度变大。裂纹扩展速度随着l的增大振荡性增强,裂纹扩展平均速度逐渐降低。l值为2 mm时,裂尖表现为Ⅰ型断裂,l值增大,裂尖受到剪应力作用增强,Ⅰ型动态应力强度因子减小,Ⅱ型动态应力强度因子增大,断裂逐渐转变为Ⅰ-Ⅱ复合型。     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。     

表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.      

Analytical and experimental evaluations of the influence of fracture surface roughness,its sliding actions and the associated plasticity on fatigue crack propagation

An investigation of fatigue crack propagation in rectangular AM60B magnesium alloy plates containing an inclined through crack is presented in this paper. The behavior of fatigue crack growth in the alloy is influenced by the fracture surface roughness. Therefore, in the present investigation, a new model is developed for estimating the magnitude of the frictional stress intensity factor, k_f, arising from the mismatch of fracture surface roughness during in-plane shear. Based on the concept of k_f, the rate of fatigue crack propagation, db/dN, is postulated to be a function of the effective stress intensity factor range, Δk_eff. Subsequently, the proposed model is applied to predict crack growth due to fatigue loads. Experiments for verifying the theoretical predictions were also conducted. The results obtained are compared with those predicted using other employed mixed mode fracture criteria and the experimental data.