腐蚀损伤模型研究进展

腐蚀会导致材料表面附近产生机械损伤，降低材料强度。腐蚀损伤演化过程的理解和模拟，对工程结构的剩余服役寿命预测、可靠性分析、以及材料耐腐蚀设计等至关重要。现有的腐蚀数学模型大多旨在描述单个或少数几个腐蚀点的界面演化过程。这些模型通常都基于扩散理论和电化学动力学定律，用于预测腐蚀点的几何形状演化和溶液中离子的浓度分布演化。本文简述了腐蚀的电化学动力学基础，为力学工作者参与腐蚀损伤研究提供了简要的背景知识介绍。对目前发展比较完善的点腐蚀模型进行了总结分类。重点介绍了近十年来几种主要的新型腐蚀模拟方法：元胞自动机法、相场模型和近场动力学模型。并分析了各方法的优缺点。提出了电偶腐蚀和应力腐蚀开裂模型分析中亟待解决的一些问题。最后，论文总结了腐蚀模拟在实际工程应用中的难点，展望了未来研究发展方向。     

含不同尺寸双腐蚀缺陷L245NCS钢管剩余强度计算

基于非线性有限元方法，建立含腐蚀缺陷管道的剩余强度计算模型，采用实验数据验证模型的准确性。在此基础上，以L245NCS管道为对象，研究了管道内腐蚀缺陷间轴向和环向的距离对剩余强度的影响。通过多因素影响分析，修正了ASME B31G标准中含双点腐蚀缺陷管道剩余强度的公式。结果表明：缺陷间在一定距离内会存在相互作用且发生相互作用的极限距离随缺陷深度的增加而增加；采用DNV-RP-F101标准计算的双缺陷相互影响的极限轴向间距和极限环向角度偏大，标准计算值与有限元计算值的最大相对误差达41%;修正后的剩余强度计算公式可用于计算含不同尺寸双腐蚀缺陷的中低强度管道的剩余强度，且计算结果相比于ASME B31G公式更接近实验值，平均相对误差为1.80%,较ASME B31G下降了9.86%。     

用于高温和有害环境的结构系统

对有害环境中高温下工作的承载结构系统的需求,已经导致新的金属合金和非金属材料的发展.因为工作条件恶劣,材料常经受严峻的加载环境和腐蚀环境,所以只能设计有限寿命的结构系统.为了完成有效的设计,必须了解材料的物理和力学性质,以及这些性质与系统的运转性能有何关系.不但讨论了在寻求更先进和更经济的性能时必然提出的基础问题和计算问题,而且讨论了与此有关的一系列问题.      

基于图像灰度分析的腐蚀钢绞线细观损伤行为

外护套破损的在役拉吊索结构,索内镀锌钢丝或钢绞线直接暴露于自然环境中,特别是酸雨的服役环境下,镀锌钢丝或钢绞线腐蚀非常严重,造成重大安全隐患.通过酸雨环境下拉吊索钢绞线在交变应力、静态应力和无应力工况的加速腐蚀试验,运用数字化扫描电子显微镜对腐蚀试件进行图像采集,并进行图像灰度分析,研究钢绞线细观层次的腐蚀损伤力学行为.探索一种基于图像灰度分析的钢绞线腐蚀疲劳损伤评定方法,以期能更好的评估在役拉吊索服役状况与剩余寿命,为桥梁拉吊索结构检测、养护、更换决策提供科学依据.试验表明:腐蚀使钢绞线塑性降低,脆性增强,而在交变应力和环境腐蚀耦合作用下,试件的塑性降低更多,更易发生脆断.当腐蚀时间为720h时,与无腐蚀试件相比,交变应力工况下试件的断后伸长率下降约50%,破断应力下降较多,个别试件的破断应力下降了约40%,试件发生脆断.静态应力以及无应力工况下腐蚀720h的试件,断后伸长率约为无腐蚀试件的70%.基于图像腐蚀特征,腐蚀时间在120h~240h,各工况下的腐蚀试件抗拉强度变化不大,说明钢绞线镀锌层腐蚀阶段,表面腐蚀对其力学性能影响不大;腐蚀时间为360h,交变应力工况相比无应力和静态应力工况下的试件,腐蚀更严重,破断应力有大幅下降的趋势.研究也表明,腐蚀图像能反映钢绞线细观损伤行为,细观的损伤行为又与其承载能力密切相关.腐蚀图像灰度分布、细观损伤以及承载力变化之间存在一定的映射关系.     

基于表面图像分析推演钢绞线腐蚀疲劳损伤行为

外护套破损的在役拉吊索结构，索内镀锌钢丝或钢绞线直接暴露于自然环境中，特别是酸雨的服役环境下，镀锌钢丝或钢绞线腐蚀非常严重，造成重大安全隐患。通过酸雨环境下拉吊索钢绞线在交变应力、静态应力和无应力工况的加速腐蚀试验，运用数字化扫描电子显微镜对腐蚀试件进行图像采集，并进行图像灰度分析，研究钢绞线细观层次的腐蚀损伤力学行为。探索一种基于图像灰度分析的钢绞线腐蚀疲劳损伤评定方法，以期能更好的评估在役拉吊索服役状况与剩余寿命，为桥梁拉吊索结构检测、养护、更换决策提供科学依据。试验表明：腐蚀使钢绞线塑性降低，脆性增强，而在交变应力和环境腐蚀耦合作用下，试件的塑性降低更多，更易发生脆断。当腐蚀时间为720h时，与无腐蚀试件相比，交变应力工况下试件的断后伸长率下降约50%，破断应力下降较多，个别试件的破断应力下降了约40%，试件发生脆断。静态应力以及无应力工况下腐蚀720h的试件，断后伸长率约为无腐蚀试件的70%。基于图像腐蚀特征，腐蚀时间在120h~240h，各工况下的腐蚀试件抗拉强度变化不大，说明钢绞线镀锌层腐蚀阶段，表面腐蚀对其力学性能影响不大；腐蚀时间为360h，交变应力工况相比无应力和静态应力工况下的试件，腐蚀更严重，破断应力有大幅下降的趋势。研究也表明，腐蚀图像能反映钢绞线细观损伤行为，细观的损伤行为又与其承载能力密切相关。腐蚀图像灰度分布、细观损伤以及承载力变化之间存在一定的映射关系。     

气动热环境下材料力学性能测试新技术

飞行器飞行过程中气动加热造成的"热障"具有瞬态(短时)高温的特征,在这一瞬态高温环境下,由于温度和时间因素的共同参与,使飞行器结构材料的强度问题变得极其复杂,常规的稳态(长时)高温力学性能已不能体现材料"热障"环境下的特征。本文提出了一种气动热环境下的材料力学性能测试技术,并以GH3039合金为例,对测试技术进行了系统性验证。该技术能够模拟飞行器飞行过程中的实际气动热环境,开展飞行器结构材料瞬态高温条件下的力学性能测试,获得材料"热障"服役环境下的真实强度信息,为飞行器结构材料高温力学性能测试提供了一个新的思路和发展方向。     

金属损伤复合材料胶接修补结构力学试验研究

为评估金属损伤复合材料胶接修补结构的剩余强度和剩余寿命,进行了含腐蚀和疲劳损伤LY12CZ航空铝合金板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的力学性能试验,分析了在静拉伸和疲劳载荷作用下修补结构的破坏模式、失效机理。试验研究发现:复合材料胶接修补技术有效改善了腐蚀和疲劳损伤这两类损伤区域的受力状况,恢复了其载荷传递路线,其静拉伸失效形式为金属韧性断裂后胶层脱粘的分步渐进式破坏;与含损伤未修补试样相比,胶接修补大幅度提高了试件的剩余强度和剩余寿命恢复率,修补后铝合金试件承载能力增加了约25%,疲劳寿命增加至修补前的约4倍~5倍。     

大气预腐蚀下ER8C车轮钢的疲劳寿命评估

随着高速列车车轮服役里程的增加，车轮辐板持续遭受潮湿大气甚至海洋大气环境的考验，点蚀成为车轮失效的主要原因之一.论文首先在大气自然环境下对ER8C车轮钢高周疲劳试样开展为期180天的曝晒(预腐蚀)试验，随后进行表面形貌和疲劳性能表征.结果表明，预腐蚀后车轮钢的疲劳极限为387 MPa,相比光滑试样下降12%;这主要是由于预腐蚀造成的腐蚀坑使试样表面局部应力集中，加速了疲劳裂纹萌生.采用激光共聚焦显微镜统计预腐蚀试样表面蚀坑尺寸，使用由均值蚀坑尺寸计算得到等效初始缺陷尺寸(EIFS),对预腐蚀车轮钢试样的疲劳寿命进行预测，避免腐蚀疲劳裂纹萌生以及短裂纹扩展对疲劳寿命预测的影响；预测结果与实验结果较为符合，证明了该方法的可行性.论文的主要结论是，通过统计试样表面蚀坑尺寸的均值来获得EIFS的方法，可以计算得到大气预腐蚀后车轮钢的剩余寿命，这验证了EIFS方法在大气预腐蚀下材料疲劳寿命研究中的适用性.     

平面张弦结构抗连续倒塌的动力分析

杆件由于爆炸、腐蚀等发生脆性破坏后引起剩余结构的振动和压杆由于失稳过程中的弹性突跳（Snap-through）引起的相邻结构振动是张弦结构倒塌过程中常伴生的两种动力现象。本文对第一种动力响应产生的原因、失效构件的模拟方法进行了分析,说明进行张弦结构抗连续倒塌的动力分析应采用初始条件法模拟构件的失效。根据张弦结构的特点,从构件失效和结构失效两方面提出了张弦结构倒塌失效的评估准则,并采用变换荷载路径法通过静力连续倒塌分析找出张弦结构各部分的关键构件;然后采用初始条件法按考虑几何非线性、阻尼比、材料非线性等分别模拟这些关键构件失效引起的动力响应,得到了平面张弦结构各部分构件失效的动力特性、动力放大系数和失效构件的位置,并对不同失效时间进行动力响应分析得到张弦结构动力效应与构件失效时间的关系曲线。最后给出张弦结构进行抗连续倒塌分析的一些结论和建议,如进行连续倒塌动力时程分析时初始失效杆件选取和失效时间取值以及弹性动力放大系数与塑性动力放大系数的区别等,为张弦结构的抗连续倒塌设计提供技术支持和参考。     

FRP疲劳累积损伤理论研究进展

纤维增强树指复合材料（FRP）已成为高性能结构的先进材料。本文对FRP疲劳累积损伤理论作了详细的回顾,它们可分为剩余寿命模型、剩余刚度模型、耗散能模型、Markov链模型和其它经验公式。还用两个大样本实验数据对这些模型作了分析对比,结果表明:除Yao和Himmel的剩余强度模型略优一些,其它模型则与传统的Miner模型不相上下。      

PZT压电陶瓷高温变形与失效的实验研究

随着工业设备集成化进程的加快,PZT压电陶瓷获得越来越广泛的应用,其工作环境也越来越复杂.例如,新一代节能环保型发动机中起致动作用的压电陶瓷叠层驱动器,工作时要承受力-热-电载荷的共同作用.因此,研究PZT压电陶瓷在高温下的变形与失效行为,对工业设计具有重要的指导意义.为此,本文利用自行搭建的压电陶瓷高温下电滞回线、蝶形回线和应力退极化曲线的测试装置,研究了PZT压电陶瓷在不同温度下的电致变形和应力退极化行为,得到了材料在不同温度下的电滞回线、蝶形回线、应力电位移曲线和应力应变曲线.实验结果表明,随着温度的升高,由电滞回线测得的剩余极化逐渐减小,蝶形回线逐渐变扁;由应力退极化产生的剩余极化和剩余应变也逐渐减小.极化量的改变是由材料的热释电效应(自发极化随温度的升高而减小)造成的,而应变量的变化是由晶胞畸变随着温度升高而减小所致.     

湍流边界层相干结构剩余脉动雷诺应力项的实验测量

用IFA300恒温热线风速仪和X形二分量热线探针以采样间隔小于湍流耗散时间尺度的分辨率精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。用条件采样和相位平均技术提取了相干结构猝发过程中相干结构剩余脉动雷诺应力和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力的条件相位平均波形。基于理论上对湍流相干结构动量方程中随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力和相干结构剩余脉动雷诺应力项的分析,对两种雷诺应力项进行了对比研究。研究发现,相干结构剩余脉动雷诺应力项在数值上具有和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力相同的数量级,表明在相干结构动力学模型方程中,相干结构剩余脉动雷诺应力项并不像以前估计的那样可以忽略不计。     

多相粘弹性结构的动力响应边界元分析

本文研究了二维多相材料结构的动力响应边界单元法。多相结构的每个子结构的材料特性可以是粘弹性的或线弹性的。应用Laplace变换和加权残数法,对每个子结构可以建立起在Laplace区域中的边界积分方程式,不同材料相的结合面上的连续条件引起了一个分块带状的总体刚度系数矩阵,再应用改进的Durbin数值反演技术可将在Laplace区域中的数值解变换到时间区域中。最后,给出了几个数值计算实例。     

THREE-DIMENSIONAL CELLULAR AUTOMATA MODEL FOR PREDICTING LOCAL CORROSION

针对环境作用下金属表面容易形成坑蚀而致使结构性能退化这一问题. 采用元胞自动机方法，建立描述腐蚀环境中金属表面坑蚀形成及演化的三维模型，对不同腐蚀溶液浓度和温度条件下结构表面蚀坑随时间的变化过程进行了模拟，为定量评估服役环境中结构的剩余强度及寿命提供可能.     

一种变温非线性粘弹性理论

实验表明,在高温下,某些金属材料呈非线性粘弹性：对不同的应变增量,材料有不同的瞬时弹性模量,所产生的应力沿不同的松弛曲线松弛。该了表述材料这一力学行为的变温非线性粘弹性本构方程,它可用于在高温和变温下工作的构件（如模具）的变形计算。     

碳基和氮化物基涂层的摩擦-腐蚀交互行为的原位研究

海洋装备大量关键金属运动部件同时承受摩擦与腐蚀作用,其表面防护涂层在海水环境下的抗磨擦-腐蚀性能成为考察涂层性能优劣的关键.本文中采用摩擦-腐蚀试验机原位实时监测了DLC、Cr-DLC、Cr N与Ti N四种涂层与氧化铝陶瓷摩擦副在人工海水环境下的开路电位和摩擦系数等腐蚀-磨损特性,并采用动电位扫描法测试了四种涂层在腐蚀和摩擦-腐蚀过程中的电化学行为,综合分析了涂层在海水介质中的磨损-腐蚀交互机制.研究结果表明:非晶结构的碳基涂层在海水介质中具有优异的抗腐蚀和抗摩擦-腐蚀性能,其中金属铬的掺入能够进一步提高DLC涂层的抗摩擦-腐蚀性能;而氮化物基涂层的粗大柱状晶结构显著削弱了其在海水环境中的抗摩擦-腐蚀性能.     

影响材料腐蚀磨损的因素及其机理研究

作者采用一种可同时测定材料磨粒磨损速度和化学腐蚀速度的腐蚀磨损电化学试验装置,研究了影响几种工业材料腐蚀磨损的某些因素。结果表明,材料组织的电化学性质对其耐腐蚀磨损有重要影响:高铬铸铁Cr15Mo3在酸性砂浆中由于化学腐蚀与磨粒磨损的相互作用,耐磨性急剧下降;在腐蚀磨损过程中,不锈钢1Cr18Ni9Ti的钝态受到极大破坏,用阳极极化的方法不能提高其耐磨性。     

国外甲醇发动机磨损研究的概况

本文对国外10多年来甲醇发动机磨损研究的概况作了综述介绍,指出甲醇发动机发生的是腐蚀磨损,其活塞环和气缸壁上部区域的磨损最严重;甲醇燃料燃烧产物中的甲酸、水及其所含的剩余甲醇是引起甲醇发动机腐蚀磨损的重要物质,过氧化氢促进着这种腐蚀磨损过程。文章还就如何有效地解决甲醇发动机的腐蚀磨损问题进行了初步探讨,提出了应当着重开展的研究工作方向。     

结构健康监测技术及其在航空航天领域中的应用

对飞行器结构中的裂纹、腐蚀、脱层、材料性能退化及其它损伤进行及时且准确的检测是确保服役飞行器安全可靠运行的必要手段。结构健康监测是确定结构完整性的革命性创新技术,它在飞行器的结构设计、飞行及维护过程中都可发挥重要作用,它的使用可以提高飞行安全性、降低维护成本。本文简要介绍结构健康监测的系统组成、基本原理及关键技术,并通过实例阐述了基于智能层的结构健康监测技术在飞行器上的应用情况。     

隔热涂层应用于高温SHPB实验的可行性分析

在分离式Hopkinson压杆(SHPB)高温实验中，对弹性杆端和试样的温度进行控制，避免弹性杆端的过大温升和试样温度的过度下降，是保证实验结果准确性的关键。基于傅里叶导热定律，本文提出在试样与弹性杆间插入特定结构的隔热涂层来降低弹性杆与试样、高温炉之间的热交换效率，从而将弹性杆端和试样的温度控制在允许范围内。从理论分析着手，设计了一种可用于高温SHPB实验的隔热涂层，并通过数值模拟和实验对该方法进行了验证。结果表明：此隔热涂层在高温下强度大幅退化，在400℃以上时，可将其近似看作试样与弹性杆间的一段空隙，忽略其对试样加载的影响。在600℃实验环境下，弹性杆端温度最高达到167℃,试样平均温度下降2.24%。在400℃和600℃下分别采用本文实验方法和高温同步快速组装法对45钢进行加载，所得结果具有良好的一致性，表明本文方法合理可行。