CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究

高熵合金未来有望应用于航空航天和深海探测等领域, 并且不可避免地会受到极端冲击载荷作用, 甚至会发生层裂. 本文采用分子动力学(MD)方法, 研究了CoCrFeMnNi单晶高熵合金冲击时的冲击波响应、层裂强度以及微观结构演化的取向相关性和冲击速度相关性. 模拟结果表明, 在沿[110]和[111]方向进行冲击时产生了弹塑性双波分离现象, 且随着冲击速度的增加呈现出先增强后减弱的变化趋势, 但在沿[100]方向冲击时未出现双波分离现象. 在冲击过程中, 大量无序结构产生且随冲击速度的增加而增加, 使得层裂强度随冲击速度的增加而减小. 此外, 层裂强度也具有取向相关性. 沿[100]方向冲击时产生了大量体心立方(BCC)中间相, 抑制了层错以及无序结构的产生, 使得[100]方向的层裂强度最高; 层裂初期微孔洞形核区域无序结构含量大小关系的转变, 使得[111]方向的层裂强度在冲击速度较低时(U_p≤0.9 km/s)大于[110]方向, 而在冲击速度较大时(U_p≥1.2 km/s)略小于[111]方向. 研究成果有望为 CoCrFeMnNi高熵合金在极端冲击条件下的应用提供理论支撑和数据积累.      

多轴载荷作用下马氏体耐热钢中微孔洞演化行为的模拟研究

微孔洞演化包括孔洞成核、生长和聚合三个阶段，是影响金属材料韧性断裂的重要因素.为了分析P91马氏体耐热钢中的塑性滑移对微观孔洞扩展的影响，论文提出了一种基于晶体塑性有限元的微观力学计算模型，量化了应力三轴度、洛德参数和晶体取向对微孔洞演化行为的影响.结果表明，在相对较高应力三轴度条件下，随着应力三轴度的增大，含孔洞马氏体块的等效应力-应变响应呈现出快速软化的特征，同时孔洞体积分数随着等效应变的增加而快速增加.对于给定的应力三轴度，胞元的聚合应变在[111]取向时最小，在[110]取向时最大.孔洞聚合开始时，低应力三轴度下孔洞形状趋向于椭球状，而较高应力三轴度时孔洞横向略鼓.在一定的应力三轴度和洛德参数范围内，在孔洞聚合和孔洞坍塌两种胞元失效状态之间存在着一个条带状过渡状态，在[100]晶体取向时，当洛德参数L=-1时条带最宽.论文揭示了P91马氏体耐热钢中微孔洞演化的基本机制，分析了晶体取向、应力三轴度和洛德参数对微孔洞演化的影响.这些发现为P91马氏体耐热钢的韧性损伤模型的进一步发展提供了微观理论基础.     

考虑晶体取向的Al0.3CoCrFeNi高熵合金动态力学性能研究

鉴于高熵合金材料(high-entropyalloy,HEA)在高应变率动态响应下呈现不同的破坏模式及力学性能,其潜在机理从宏观角度已不能够完全解释,需从微观角度研究其动态响应过程中的原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制,为优化HEA防护材料的加工工艺、制备方法等提供参考。利用分子动力学模拟的方法,设计了[100]、[110]和[111]等3种取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金在不同应变率下的压缩、拉伸及冲击试验,分析了动态响应过程中原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制。压缩试验中：[110]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[111]的次之,[100]的最低;[100]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金主要的变形机制为孪晶变形,[110]的为滑移变形,[111]的为位错变形。拉伸试验中：[111]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[100]的次之,[110]的最低;[100]取向结构Al_0.3     

屈曲前变形对加筋圆柱曲板侧压稳定性的影响(线性一致理论)

一、前言航空结构中,经常遇到加筋园柱曲板在侧压作用下的稳定问题。曾有许多作者[1],[2],[3],[4]研究过加筋园柱壳的弹性稳定问题,并讨论了加筋偏心的影响。[4]还考虑了屈曲前变形的影响。我们曾在[5],[6]中讨论过简支园柱曲板的侧压稳定问题。[5]是将曲板作为各向异性板处理,[6]考虑了加筋离散性的影响。但是,[5][6]均假定屈曲前,曲板为薄膜应力状态。由于简支园柱曲板,在侧压作用下,屈曲前已有弯曲变形,并非薄膜应力状态,因而理论分析与实      

基于有限变形单晶塑性滑移的微观热-力耦合模型及其有限元计算

基于率相关的晶体塑性滑移理论,论文考虑晶体内部塑性变形产生的热以及快速热冲击作用下温度急剧变化产生热应力的热-力双向耦合效应,建立起微观单晶的瞬态热-弹-塑性耦合模型,推导出与温度有关的剪应变率和弹塑性切模量公式.根据论文建立的模型,对ABAQUS软件进行二次开发[1],数值模拟出<001>/{100}单晶Cu在单轴拉伸状态下的应力、应变与温度的关系和弹性模量的变化,结果如下:轴向应力随温度升高先呈线性增加再呈非线性减小,轴向应变随温度增加而增加;弹性模量随塑性变形的增加而降低,与分子动力学模拟的趋势[2]是一致的.数值实验表明,论文建立的模型和算法是正确合理的,且计算量远远小于分子动力学模拟.     

Reissner型板中应力强度因子的近似方程和近似解法

本文在文献[1],[2]的基础上对Reissner型板进行分析,发现与经典板理论类似的近似方程用于求解Reissner型板的断裂问题是有效的,并用能量法解得受弯边裂纹和中心裂纹板的应力强度因子。将结果与文献[3]比较表明,用本文的近似方法求解应力强度因子方法简便且精度较高。     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能,是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND）,会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金,建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法,在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线,分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明,对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料,在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性,在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度,这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向,滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例,将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能，是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND），会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金，建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法，在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线，分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明，对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料，在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性，在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度，这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向，滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例，将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

高温弹塑性的三维有限元分析

1.基本公式建立高温弹塑性的非线性本构方程,是以文献[1],[2]为理论基础;认为应力依赖于温度,而温度不受应力变化的影响。在热载荷和机械载荷的作用下,材料的总应变将包括弹性、塑性和温度应变,即     

环向加筋园柱曲板侧压稳定实验

一、前言加筋结构在航空工业和其它方面广泛采用。加筋园柱曲板在均匀侧压作用下的稳定问题,更是经常遇到又必须解决的问题。目前,这方面的资料很不完善,试验资料更为缺乏。曾对加筋园柱曲板的侧压稳定性进行了理论分析[1],[2],[3]。其中[1],[3]是将加筋曲板当作各向异性板处理。[1]假定屈曲前为薄膜应力状态,得到了相当简洁的公式;[3]是考虑了屈曲前变形的影响。[2]是考虑了加筋离散性的影响,并确定了各向异性曲板理论的适用范围。      

面心立方铝剪切变形的准连续介质模拟

采用准连续介质多尺度方法模拟了纳米尺度单晶铝的剪切变形.分别采用三种不同晶体取向(分别为x[1-10],y[001],z[-1-10]; x[-1-12],y[111],z[-110]; x[-110],y[-1-12],z[111])和三种不同长宽比的几何模型(分别为1:1,2:1,4:1)进行模拟,得出各模型应力一应变响应曲线.加载过程中,对晶体内部变形比较剧烈的部分画出原子图,并从微观角度分析了产生剧烈变形的原因;讨论了三种晶体取向下的尺寸效应:单晶铝的剪切屈服应力随模型几何尺寸的增加而降低,并且随晶体取向的不同变化很大.最后,使用指数法则来描述模型的尺寸效应,提出了针对不同取向的指数法则参数,表明了晶体不同取向对剪切屈服应力的大小有影响.     

循环应力—应变曲线双轴应力修正问题的论证和探讨

1.前言应变疲劳寿命计算中的循环σ-ε曲线通常是单轴应力-应变曲线,当用于缺口试体在双轴应力状态下的缺口根部的应力应变分析时,一般要进行双轴应力修正.文献[1]提出了一种修正循环σ-ε曲线的方法,得到了较为广泛地应用.其基本思想如下:对于单轴循环σ_α-ε_α曲线通常可用下式表示:     

剪切力作用下螺位错的运动

利用分子动力学方法研究了金属钨中螺位错在剪切力作用下的运动特性.根据弹性理论在BCC晶体中形成位错线沿<111>的螺位错,在合适的边界条件下获得平衡态的位错结构.发现位错由{110}平面沿<112>方向三个呈对称的皱褶组成.对平衡态结构施加剪切力,发现剪力很小时,位错核心不动,核心形状有畸变;当剪力增大到一定程度时位错开始运动.位错运动后,剪切力较小时,核心呈“之”字形运动;在较大剪力下,位错开始阶段呈“之”字形运动,一段距离后主要沿[211]方向作直线运动.位错运动的速度随着剪切力的增加而增大.     

bcc-Fe刃型位错偶极子的动力学过程模拟

用分子动力学方法模拟了bcc单晶铁中滑移面为(011)晶面、柏氏矢量b-=±[100]的刃型位错偶极子吸引至湮灭的动力学过程.模拟结果显示:沿[100]晶向滑移的正刃型位错穿越Peierls势垒的方式为滑移面上方芯原子沿[111]晶向滑移,滑移面下方芯原子沿[111]晶向滑移;芯原子滑移方向分别偏转为[111]和[111]晶向,同时芯能量以格波形式释放.统计了位错运动速度和Peierls势垒随时间或两位错距离的变化.     

分区混合有限元法求混合型应力强度因子

本文在早先工作[1],[2]的基础上,进一步用分区混合有限元法求解平面断裂问题的应力强度因子,作了两点改进:1.余能区单元采用多个应力参数;2.求解的问题可包括混合型问题。文中给出了几个典型算例,显示出本法的一些优点。     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

分区混合有限元法求混合型应力强度因子

本文在早先工作[1],[2]的基础上,进一步用分区混合有限元法求解平面断裂问题的应力强度因子,作了两点改进:1.余能区单元采用多个应力参数;2.求解的问题可包括混合型问题。文中给出了几个典型算例,显示出本法的一些优点。     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明:试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明:单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

氢原子在裂纹端点区的漂流与减内聚力模型

根据Barenblatt的设想,接近裂纹端部的裂纹面间应有内聚应力,应力峰值即为内聚强度。本文采用Schmidt和Woltersdorf考虑内聚应力影响的裂端应力场,在基于立方晶胞因为有氢原子存在而发生四方变形的假设下,建立了氢原子在裂端区的漂流模型。模型指出氢原子可从裂纹面漂流到裂端前的一个小区域,降低了该区域的应变能密度和晶体平面间的内聚强度。研究结果还发现,当变形的晶胞是沿[100]方向延长,且裂纹面是在(100)平面时,裂端有最大的氢浓度,同时内聚强度也减少最多;即氢引致的开裂平面是最可能发生在(100)平面系。讨论中,将模型的预测与实验结果进行了比较,并把模型推广到氢引致晶间开裂的情形。