单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究

低熔点金属的层裂是目前延性金属动态断裂的基础科学问题之一。采用非平衡态分子动力学方法模拟了冲击压力在13.5～61.0 GPa下单晶和纳米多晶锡的经典层裂和微层裂过程。研究结果表明：在加载阶段，冲击速度不影响单晶模型中的波形演化规律，但影响纳米多晶模型中的波形演化规律，其中经典层裂中晶界滑移是影响应力波前沿宽度的重要因素；在单晶模型中，经典层裂和微层裂中孔洞成核位置位于高势能处；在纳米多晶模型中，经典层裂中的孔洞多在晶界（含三晶界交界处）处成核，并沿晶定向长大，产生沿晶断裂，而微层裂中孔洞在晶界和晶粒内部成核，导致沿晶断裂、晶内断裂和穿晶断裂；孔洞体积分数呈现指数增长，相同冲击速度下单晶和纳米多晶Sn孔洞体积分数变化规律一致；经典层裂中孔洞体积分数曲线的两个转折点分别表示孔洞成核与长大的过渡和材料从损伤到断裂的灾变性转变。     

三维复合型断裂的试验方法探讨

探讨了一种能够揭示三维复合型断裂现象并能记录这些现象的三维复合型断裂研究的实验方法，用此方法完成了LC4－CS航空结构铝合金不同厚度紧凑拉伸试样的I＋Ⅱ复合型断裂试验。结果表明：此方法能够简便地确定出复合型裂纹的起裂载荷、破坏载荷、裂尖张开位移、滑移位移和起裂角，基本解决三维复合型断裂研究所需实验数据问题。同时发现此种材料试样的承载能力和超裂方向的确具有明显的厚度效应。     

几种金属材料断裂条件的试验研究

考察了几种金属材料在常规破坏试验与拉-扭双轴破坏试验中，随受力条件不同，材料不同形式断裂破坏变化规律和相应的断裂条件；利用几种韧性材料复合型断裂试验结果，分析了随应力三维度变化，材料中孔洞成核形状与聚合方式的变化规律，分析了不同断裂形式时启裂点、启裂方向变化规律及主要影响因素。研究表明，从材料断裂物理机制来看，裂纹体与无裂纹体断裂破坏实质是相同的，随材料塑性因素与应力三维度变化的影响。材料内孔洞成核形状由椭球形逐渐变化为细长形，材料断裂由正拉断转向剪断，裂纹体与无裂体材料的断裂形式、断裂危险点、危险点上断裂方向等宏观量也有着相同的变化规律；区分不同物理机制建立断裂条件，可能适合解决金属材料不同形式的断裂力学问题。     

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程，对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展，然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟，研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明，不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能，这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品，在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化；含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂，裂尖原子没有出现微结构的变化，其强度和抗断裂性能最低。此外，不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化，对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样，高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样，高应力不仅分布在裂尖，也分布在位错发射和堆积层错形成的区域，在裂纹/孔洞扩展之前，应力随着加载时间的增加而迅速增加，而一旦裂纹或孔洞开始扩展，应力增加非常缓慢或几乎不增加，但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明，在I型...     

压荷载下类岩石材料中的锯齿形裂纹分析

针对类岩石材料的复杂性和非均质性，特别是材料中一些强度相对较弱的晶界的存在等，对形状较为复杂的两种锯齿形裂纹：内张型滑动裂纹和单翼滑动裂纹的应力强度因子进行了分析．结合经典的滑动裂纹模型，讨论了裂纹起裂角、侧压以及翼裂长度等对应力强度因子的影响．分析的结果为进一步研究类岩石材料的断裂损伤机理提供了理论基础．     

刚度微分法计算压电材料平面断裂问题

把计算应变能释放率的刚度微分法推广到压电材料平面断裂问题．在此基础上，利用压电材料平面断裂问题的有限元数值解作为真实场，用Ｓｏｓａ的平面问题裂端渐近解作为辅助场，由推广的交互Ｍ积分法求得了应力强度因子ＫＩ，ＫＩＩ和电位移强度因子ＫＩＶ．算例表明，计算结果与理论解符合得很好     

一维应变条件下金属层裂的实验研究

材料的层裂是由两个相向的拉伸应力作用引起材料断裂的一种现象，是一个被普遍关注的力学问题。本文中主要对层裂研究的意义、历史和现状，一维应变条件下层裂的原因、表征、加载方式及测试技术等问题进行了综述，并讨论了影响层裂强度的几种主要因素。     

各向异性编织CMC弯曲断裂失效模型

通过对缺口弯曲断裂试验的研究发现，编织CMC存在两种断裂失效模式：界面主导的和纤维束主导的失效模式．针对这两种模式建立了界面失效模型和纤维束断裂失效模型．界面失效模型用半经验方法处理弱界面和大编织角度的断裂强度问题；纤维束断裂失效模型采用解析方法处理较强界面和小角度的断裂强度问题，为含有缺口试件的弯曲强度预报打下了初步的理论基础．     

含随机分布微裂纹的相变颗粒增韧陶瓷材料的强度和刚度预报

本文针对相变颗粒增韧陶瓷基复合材料中存在大量微裂的现象，分析了微裂纹产生的原因，利用作者改进的等效平杂理论，研究了相变陶瓷中微裂纹对材料强度与刚度的影响，通过与Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２陶瓷的三点弯曲实验结果的比较表明，理论与实验结果十分接近，说明本文理论模型是合理的，同时也证明了微裂纹对相变陶恣材料的重要影响。     

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。     

三维编织CMC断裂韧性表征形式的试验研究

在试验的基础上 ,发现三维编织陶瓷基复合材料断裂试件的裂纹扩展沿着编织角方向进行 ,表现出一种非自相似的裂纹扩展模式 ,表明三维编织CMC的断裂是复合型断裂。利用材料的载荷 -位移曲线和声发射技术 ,分析了三维编织CMC在外载荷作用下的损伤行为和断裂机理 ,并且根据不同的外载荷类型 ,将三维编织CMC的断裂韧性表征分别界定在线弹性和弹塑性的两个领域里 ,初步确定三维编织CMC的断裂韧性表征形式     

聚氨酯泡沫塑料的强度与断裂韧性

针对3种密度的聚氨酯泡沫塑料进行了拉伸实验。通过无缺口试件确定了3种密度泡沫塑料的拉伸断裂强度,而利用有缺口试件确定了这些材料的拉伸断裂韧性。为了研究高密度泡沫塑料的拉伸断裂机制,还对破坏后试件进行了扫描电镜分析。此外,还简要讨论了泡沫塑料拉伸断裂力学性能的理论预测问题。     

裂纹面摩擦接触引起的断裂韧性增长的研究

采用弹黏塑性的材料本构关系, 建立了压、剪混合型裂纹常速准静 态扩展的力学模型, 求得了裂纹面摩擦接触条件下裂纹尖端场的数值解, 并基于数 值结果讨论了扩展裂纹的摩擦效应. 计算和分析表明, 裂纹面的摩擦效应主要表现 在两个方面. 第一方面是摩擦会导致裂纹尖端区材料的断裂韧性增高, 并且裂纹面间的摩擦作用越强, 增韧效果越显著. 摩擦增韧的机制可以解释为裂纹 面间的摩擦作用导致裂纹尖端塑性区尺寸变大, 使裂纹尖端场的塑性变形能增加, 从而使得裂纹尖端区材料增韧. 摩擦生热并不是导致材料断裂韧性增长的根本机制. 第二方面是摩擦会导致``断裂延缓'. 利用裂纹面的摩擦来提高构件的承载能力和延长构件的服役寿命具有较大的工程实用价值.     

粘弹性树脂基三维编织复合材料的热膨胀性能研究

首先利用均匀化理论并结合有限元法研究了三维编织复合材料的粘弹性效应,根据松弛模量的计算结果研究了材料热膨胀系数随时间的变化关系,在此基础上,给出了编织结构和工艺参数(编织角、纤维体积比)对材料初始热膨胀系数的影响规律,计算结果与实验值吻合较好。本文工作为深入研究三维编织复合材料的热粘弹性能提供了基础。     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时,将们随着微孔洞的萌生和生长,孔洞的萌生和深化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度,以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程。从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响,通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型,建立塑性增量本构关系,然后针对定常扩展情况直接进行分析,孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划,而在孔洞汇合模型中,上     

厚度与加载速率对铁素体钢断裂韧性影响的SP压杆法实验研究

采用SP压杆实验方法,在常温下研究小圆薄片断裂韧性的厚度效应及加载速率对断裂特性的影响.实验结果表明,随着厚度的增加,断裂变形能增加,断裂部分的外表面因双向应力状态表现出微突起,微突起四周存在微小裂纹;随着加载速度的增加,断裂变形能增加,剪切断裂表面表现出从密集韧窝到韧窝连接成片特征.考虑试件变形过程中不同部分的能量耗散,从SP试件的整体断裂变形能得到试件的断裂韧性的宏观表达,断裂韧性随着厚度的增加而增加,随着加载速度的增加而减少.采用临界塑性断裂应变作为裂纹起裂判据,单位面积的能量耗散率作为裂纹扩展和失效判据的断裂模型,用有限元方法对SP压杆实验进行模拟,得到与实验结果比较相符的模拟结果.     

Effect of T-stress on the mode-I fracture toughness of concrete

T-stress expressions are provided for three-point bending (TPB) beams and compact tension (CT) specimens and then its influence on mode I fracture toughness of concrete is investigated. The study shows that T-stress is dependent on the specimen's geometry and the material's property as well, and for TPB and CT specimens of regular size, T-stress is so small that its consequences can be neglected. The study also indicates that concrete specimen size should be carefully chosen to make sure the existence of K-dominance ahead of the crack tip, thus fracture toughness extracted from these specimen configurations can be reliable.     

MIXED MODES INTERLAMINAR FRACTURE TOUGHNESS OF CFRP LAMINATES TOUGHENED WITH CNF INTERLAYER

In the present paper, the influence of carbon nanofiber on interlaminar fracture toughness of CFRP investigated using MMB(Mixed Mode Bending) tests. Vapor grown carbon fiber VGCF and VGCF-S, and multi-walled carbon nanotube MWNT-7 has been employed for the toughener of the interlayer on the CFRP laminates. In order to evaluate the fracture toughness and mixed mode ratio of it, double cantilever beam (DCB) tests, end notched fracture (ENF) tests and mixed mode bending (MMB) tests have been carried out. Boundary element analysis was applied to the CFRP model to compute the interlaminar fracture toughness, where extrapolation method was used to determine the fracture toughness and mixed mode ratio. The interlaminar fracture toughness and mixed mode ratio can be extrapolated by stress distribution in the vicinity of the crack tip of the CFRP laminate. It was found that the interlaminar fracture toughness of the CFRP laminates was improved inserting the interlayer made by carbon nanofiber especially in the region where shear mode deformation is dominant.