不同化学腐蚀下砂岩冻融力学特性劣化的试验研究

通过研究砂岩试样在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和碱性NaOH溶液中浸泡并经历冻融作用后的物理力学特征,分析了砂岩在不同化学溶液中腐蚀30d后及再经历不同冻融循环次数作用后其物理力学特征的变化规律,同时,借助于体视显微镜和SEM扫描电镜对试样微细观结构的损伤劣化进行了观察,并基于孔隙率的变化建立损伤变量来定量的描述试样的损伤劣化程度。试验结果表明：随着冻融循环次数的增加,浸泡在不同化学溶液中砂岩试样的峰值强度及其弹性模量均呈现出指数函数的劣化趋势,而其峰值应变却按指数函数的趋势增加。不同化学溶液下砂岩试样的损伤程度随着冻融循环次数的增加而逐渐加剧,酸性溶液下试样的损伤程度大于中性溶液和碱性溶液下的损伤程度,碱性化学溶液下试样的冻融损伤程度最小。酸性溶液加剧了冻融作用下砂岩试样的损伤劣化程度,而中性至碱性溶液下起冻融损伤程度却得到一定的缓解。化学腐蚀作用与冻融循环作用相互促进、共同影响着砂岩试样的损伤劣化程度。     

轻质合金压印接头质量判断及其力学性能研究

在结构轻量化的进程中,新型薄板材料被大量使用,新兴的压印连接技术可以实现这些材料的连接．以钛合金为主要材料进行压印连接实验,结果显示材料的母材性能对连接性能、接头强度、失效形式均有一定的影响．压印接头的拉伸-剪切失效形式为颈部断裂时,拉伸-剪切实验过程中载荷位移曲线有两次明显的下降过程,分别是由于圆形压印点的上半部分颈部被拉断,圆压印点的下半部分颈部被拉断造成的．微观分析显示TA1-TA1压印接头断口呈现类解理穿晶断裂,5052-TA1压印接头断口出现拉长韧窝特征,属于塑性断裂,1420-TA1接头断口呈现大面积平面及少量冰糖状花样,属于沿晶脆性断裂．     

水化学-冻融循环作用下砂岩三轴蠕变及细观损伤试验研究

为了研究化学溶液侵蚀和冻融循环耦合下西南地区砂岩的蠕变特性,研究了不同化学溶液浸泡的黄砂岩试样经0次、15次、30次、45次和60次冻融循环后的三轴蠕变性质,结合SEM和核磁共振成像分析了劣化细观特征。结果表明:同一化学溶液侵蚀下随着冻融循环次数的增加,岩样的瞬时应变和稳态蠕变率呈指数形式增大,长期强度逐渐降低;相同冻融循环次数下,H_2SO_4溶液对岩样的损伤程度最大,NaOH溶液次之,NaCl溶液最小;在冻融循环60次之后,岩样的长期强度总体降幅为9.47%;NaCl与H_2SO_4侵蚀效果比较,岩样的长期强度总体降幅为4.33%;相同冻融循环次数下,不同化学溶液侵蚀下岩样孔隙度P_(PH=4)P_(PH=10)P_(PH=7),且岩样损伤是由表及里,由两端向中部发展的。研究结果为进一步研究多场耦合作用下岩石工程长期稳定性提供理论依据。     

基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究

无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度，服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂.论文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能.分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验，加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测.结果显示，该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性.动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡，但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同.高速摄像与动态加载同步分析表明，这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生.对三种形式的拉伸实验结果进行对比，发现拉伸强度受试样形状影响，这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关.     

单纤维细丝微力学性能实验研究

使用数字标记点识别方法分别对T300碳纤维和Kevlar29芳纶纤维单丝进行了拉伸实验测试,给出了单纤维细丝的拉伸性能参数。其中T300碳纤维单丝的直径在 7μm左右,比Kev lar29芳纶纤维的直径 (约 12μm左右 )要小;T300碳纤维的拉伸模量为 230GPa左右,远大于Kevlar29芳纶纤维的拉伸模量(约 80GPa);它们的拉伸强度相当,都在 2. 5GPa左右;而T300碳纤维的断裂伸长率在 1. 0%左右,小于Kevlar29芳纶纤维的 3. 0%。使用扫描电子显微镜(SEM)对纤维单丝断裂前后的结构进行了观察,这些不同的微观结构决定了纤维单丝拉伸性能的差异。     

不同化学溶液和冻融循环作用下砂浆力学特征的研究

通过对不同化学溶液和冻融循环共同作用下砂浆物理力学特性进行室内试验,研究了溶液的酸碱性、浓度和化学成分对砂浆化学冻融损伤劣化程度的影响,进一步分析了化学冻融后试样物理力学特性的变化规律,并对不同化学溶液下砂浆的冻融损伤劣化机理进行了探讨。试验结果表明:溶液酸性越强,砂浆物理力学参数的冻融损伤劣化程度越大;冻融初期,碱性NaOH溶液抑制了砂浆的损伤劣化的程度,但随着冻融循环次数的增加,这种抑制作用逐渐消失。相同条件下,Na_2SO_4溶液加剧了砂浆的冻融损伤程度。试样抗折强度的化学冻融损伤劣化程度相对于其抗压强度要严重得多;同时,基于化学冻融前后砂浆的孔隙率建立损伤变量,来定量地描述砂浆化学冻融损伤的劣化程度。     

矿用钢丝在腐蚀介质环境下的微动行为研究

钢丝绳中钢丝的锈蚀、磨损或断裂是造成矿井用钢丝绳失效的主要形式。以6×19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝在腐蚀介质环境下的微动磨损试验研究。考察钢丝在模拟矿井淋水腐蚀介质中的微动运行特性,通过磨痕测量微动磨损量,采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪对钢丝的微动损伤机理进行分析。结果表明：腐蚀介质影响钢丝的微动运行区域,在干摩擦和中性腐蚀介质下运行于混合区,而在酸性和碱性腐蚀介质下运行于滑移区;腐蚀介质明显降低钢丝的摩擦系数,其中酸性介质下的摩擦系数最小,约为0.36;腐蚀与磨损的交互作用显著加速了材料的流失,酸性腐蚀介质下钢丝的磨痕深度最大;钢丝在干摩擦条件下的损伤机制以材料的塑性变形、粘附涂抹和摩擦氧化为主,而在腐蚀介质环境下的损伤机制转变为磨粒磨损和化学腐蚀。     

两亲性氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶的制备及介质调控的摩擦学性能研究

为解决水凝胶在溶剂中机械强度差的问题,同时保持其表面低摩擦特性以满足软物质材料的润滑需求,文中通过使用N,N-二甲基甲酰胺/水(DMF/H_2O)混合溶剂,采用一步聚合法制备得到氧化石墨烯增强的两亲性氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料.利用流变仪测试了复合水凝胶材料的机械性能,结果表明疏水性组分聚甲基丙烯酸甲酯的对复合水凝胶起到了明显的增强作用.系统考察了氧化石墨烯/聚(丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯)复合水凝胶材料分别在不同亲疏水单体比例和不同DMF/H_2O混合比例溶剂中的溶胀和摩擦性能,结果表明两亲性复合水凝胶具有明显的介质响应行为,从而实现在不同溶剂环境下摩擦性能的调控.     

金属材料延性对其薄膜-柔性基底结构延展性的影响

自由金属薄膜轴向拉伸时的极限伸长率一般约为1%～2%,而沉积在具有一定厚度和刚度的柔性基底上的金属薄膜伸长率可能大大增加,因此此类复合结构在柔性电子器件中有较好的应用前景。采用有限元法对不同延性的薄膜-基底结构拉伸变形至其颈缩断裂过程进行了模拟,研究材料延性对其薄膜-基底延展性的影响。将内聚力模型运用到金属薄膜的断裂研究中,通过改变内聚力模型参数来模拟具有不同延性的金属薄膜。计算结果表明,脆性膜-基结构的延展性与相应的自由金属薄膜相当,而当材料延性较好时,柔性基底能起到抑制颈缩的发展,从而使膜-基结构的整体延展性得到大幅度增加,说明薄膜材料本身的延性对薄膜-基底结构的延展性具有很大影响。     

多层氧化石墨烯的三维弹性常数及氧化度对力学性能的影响

宏观氧化石墨烯膜由多层石墨烯组成,其法向拉伸和层间剪切性能远比面内性能低。本文视多层氧化石墨烯为一种特殊的三维正交各向异性材料——横观各向同性材料,通过建立羟基和环氧基在石墨烯表面随机分布的多层氧化石墨烯三维模型,采用分子动力学方法模拟多层氧化石墨烯的面内拉伸、法向拉伸和层间剪切行为,分别得到了多层氧化石墨烯材料的全部五个独立弹性常数E2、E3、μ12、μ32和G23,进而确定了三维弹性矩阵（柔度矩阵和刚度矩阵）,并进一步分析了氧化度对弹性常数和强度的影响规律。结果表明：随着氧化度R逐步增大,多层氧化石墨烯面内杨氏模量E2和拉伸强度σ2max逐步降低,法向杨氏模量E3和拉伸强度σ3max、层间剪切模量G23和剪切强度τ23max均逐步增大,而对泊松比的影响较小;拉伸和剪切断裂破坏位置由氧化基团(羟基和羧基)与碳原子结合键能大小所决定。     

小冲杆试验确定材料拉伸断后伸长率的研究

小冲杆试验技术可以近似无损地测试材料的力学性能.本文对几十种材料进行了小冲杆试验研究,对小冲杆试样的抽向挠度δ与拉伸断后伸长率A进行了经验关联.研究表明,对于试验中涉及的几十种材料,二者之间没有统一的线性相关公式,但可以按材料的杭拉强度和屈强比将材料分类,然后分别对δ和A进行线性关联.对于抗拉强度小于600MPa的材料...     

不同化学溶液下砂岩I型断裂韧度及其强度参数相关性的试验研究

本文通过长期浸泡的方法,以陕西铜川新区龙潭水库典型的库岸边坡的砂岩为研究对象,研究了浸泡在不同化学溶液下砂岩的力学特性及其损伤劣化机制,分析了经不同化学溶液腐蚀后试样的物理力学特性随化学腐蚀时间的劣化规律。研究发现：化学腐蚀后砂岩的物理力学特性均发生不同程度的劣化,其随化学腐蚀时间的劣化规律基本一致;但不同化学溶液下试样物理力学特性的劣化程度有所差异,酸性溶液（pH=3.0）加剧了砂岩的劣化程度,中性化学溶液对其损伤劣化程度也有一定的影响,试验初期,强碱性溶液下砂岩的劣化程度最小,但随着化学腐蚀时间的加长,强碱性溶液下的劣化程度逐渐加剧,大于中性溶液下的,但仍小于酸性溶液。化学腐蚀后砂岩试样均呈现出明显的弱化趋势,其断裂韧度KIC、抗压强度和抗拉强度的劣化程度显著,但各力学特征的劣化程度存在明显的差异,其中抗压强度的劣化程度相对减小,而其KIC的劣化程度较大;同时,化学腐蚀后砂岩的断裂韧度与抗拉强度、抗压强度间的一致性比较明显,存在明显线性关系。可以利用不同化学溶液下砂岩的裂纹扩展半径r来间接说明其力学特征发生损伤劣化的程度。     

γ射线辐照聚四氟乙烯复合材料的结构和摩擦磨损性能研究

通过γ射线辐照聚苯酯改性聚四氟乙烯(PTFE/POB)复合材料,利用红外光谱、X射线衍射、DSC等对辐照前后材料的化学组成、结晶结构等进行了表征,并与γ射线辐照纯PTFE材料作对比,考察了热稳定性能、拉伸性能和摩擦磨损性能. 结果表明:γ射线辐照并未造成PTFE/POB 材料的化学组成和热稳定性能的明显变化,但使得PTFE分子量降低,结晶度增大;相比纯的PTFE材料,POB的加入一定程度上提高了PTFE的抗辐照能力,延缓了PTFE分子量下降程度和再结晶化能力. 辐照对PTFE/POB材料的耐磨性能影响并不显著,但摩擦系数均有不同程度的降低,且随着辐照剂量的增大,呈现先增大后减小的变化趋势,这与辐照后PTFE的分子量、结晶度及带晶尺寸变化,以及POB自身的抗辐照能力等密切相关.      

用统一平面应变滑移线场理论求解厚壁圆筒的极限荷载

用统一平面应变滑移线场理论,得到了拉压性能不同材料的厚壁圆筒的极限荷载统一解,它也可以适用于拉压强度相等的材料,能充分发挥材料性能,减轻结构重量,取得多方面的经济效益。     

Evaluation of the Material Properties of an OFHC Copper Film at High Strain Rates Using a Micro-Testing Machine

The material properties of an oxygen-free high thermal conductivity (OFHC) film with a thickness of 0.1 mm were evaluated at strain rates ranging from 10⁻³/s to 10³/s using a high-speed material micro-testing machine (HSMMTM). The high strain-rate material properties of thin films are important especially for an evaluation of the structural reliability of micro-formed parts and MEMS products. The high strain-rate material testing methods of thin films, however, have yet to be established to the point that the testing methods of larger specimens for electronics, auto-body, train, ship, and ocean structures are. For evaluation, a new type of HSMMTM was developed to conduct high-speed tensile tests of thin films. This machine is capable of testing at a sufficiently high tensile speed with an electromagnetic actuator, a novel gripping mechanism, and an accurate load measurement system. The OFHC copper film shows high strain-rate sensitivity in terms of the flow stress, fracture elongation, and strain hardening. These measures increase as the tensile strain rate increases. The rate-dependent material properties of an OFHC copper film are also compared with those of a bulk OFHC copper sheet with a thickness of 1 mm. The flow stress of an OFHC copper film is relatively low compared to that of a bulk OFHC copper sheet in the entire range of strain rates, while the fracture elongation of an OFHC copper film is much larger than that of a bulk OFHC copper sheet. A quantitative comparison would provide material data at high strain rates for the design and analysis of micro-appliances and different types of micro-equipment.     

A new microtensile tester for the study of MEMS materials with the aid of atomic force microscopy

An apparatus has been designed and implemented to measure the elastic tensile properties (Young's modulus and tensile strength) of surface micromachined polysilicon specimens. The tensile specimens are “dog-bone” shaped ending in a large “paddle” for convenient electrostatic or, in the improved apparatus, ultraviolet (UV) light curable adhesive gripping deposited with electrostatically controlled manipulation. The typical test section of the specimens is 400 μm long with 2 μm×50 μm cross section. The new device supports a nanomechanics method developed in our laboratory to acquire surface topologies of deforming specimens by means of Atomic Force Microscopy (AFM) to determine (fields of) strains via Digital Image Correlation (DIC). With this tool, high strength or non-linearly behaving materials can be tested under different environmental conditions by measuring the strains directly on the surface of the film with nanometer resolution.     

Tensile testing of microsamples

Structural analysis has advanced rapidly to the point where lack of knowledge about the local inhomogeneity and anisotropic nature of the materials prevents the accurate prediction of the behavior; models can incorporate local material properties provided they can be experimentally determined. Conventional tensile techniques are unable to test speciments from submillimeter-sized regions, and micro-hardness measurements do not reveal directional variations. A system has been developed to perform tensile tests on microsamples that are 3.1 mm long with a gage cross section that is 0.2 mm square. The volume of the test region is roughly 500,000 times smaller than a standard half-inch diameter specimen. Tensile stress-strain curves are measured, and the yield strength, ultimate strength, modulus and elongation are calculated for each sample. Samples cut from the weld metal of undermatched welds in HY-100 plate showed a large variation in properties from the center of the weld to the outer edge, as well as anisotropy at some locations. The average mechanical properties of a group of microsamples cut from the outer region of the weldment compared favorably with measurements made using full-sized specimens; the variation in the microsample measurements reflect local variations in the material that are not measured with full-sized specimens.     

单纤维微拉伸力学性能测试与分析

针对微尺度材料力学性能测试与尺度效应实验研究的需要,自行研制了一台FMT-I型高精度纤维材料微拉伸力学性能实验装置,并基于LabVIEW软件平台开发了相应的数据采集与控制系统,实现了测试过程的全自动化。该装置的测力传感器由非接触式激光位移传感器和两端固定的薄梁组成,可同时测量试样的拉伸力和上夹持端的位移量,帮助精确地获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米级直径的多晶铜丝、316L不锈钢纤维和T300碳纤维进行了拉伸测试。实验结果表明,直径为18～105μm多晶铜丝的拉伸力学行为并无明显的尺度效应;多晶铜丝和316L不锈钢纤维的弹性模量分别在43.9～60.0GPa和102.9～111.5GPa之间,均低于宏观尺度下材料的弹性模量;316L不锈钢纤维的抗拉强度和延伸率随着丝径的减小而降低;T300碳纤维的弹性模量为235.4±12.4GPa,抗拉强度为3238.2±280.8MPa,断裂应变约为1.5%。另外,相同的细铜丝材料的测试结果与Instron5848型商用拉伸试验机的测试结果进行了对比,吻合良好。通过系统的实验分析表明,该装置具有较高的精度和稳定性,适用于各种纤维材料的拉伸力学性能测试。     

煤层抗拉强度原位测试研究

系统地介绍了煤层抗拉强度的原位测试原理及数据处理方法，并对测试成果进行了详细分析，提出了煤层抗拉强度的取值方法，为煤矿防隔水煤柱合理留调提供了科学依据。