Q345钢和H62黄铜声发射信号及力学行为的关系研究

本文利用声发射装置采集了Q345钢和H62黄铜两种材料拉伸过程中的动态声信号。结果发现两种材料在线弹性阶段末端都会产生大量声发射信号,但有明显屈服流动的Q345钢在硬化阶段的开始时段也会产生信号峰值。为了研究两种材料在拉伸变形过程中声发射的微观机制,本文采用扫描电镜下原位拉伸实验方式观察了两种材料在不同拉应力下晶粒内部滑移线的产生和演变过程。在此基础上总结出了两种材料声发射信号与力学行为的关系,指出应以第一次声发射信号的峰值对应的工作应力作为材料屈服应力及其合理性,并按此标准给出H62黄铜的屈服应力为193MPa。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程.声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息.本文基于声发射技术,结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析,反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向,揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制.结果表明:裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生,之后聚集形成局部损伤区域,并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向);裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量,初始裂纹成核时体积参数较小,峰值载荷时,裂纹运动体积最大达到5.93×10-4 mm3;混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹;拉伸裂纹最多,占裂纹总数约为60%,剪切裂纹最少,约占裂纹总数的10%;拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.     

Q345R钢蠕变过程声发射特性实验研究

声发射测试技术由于实时、连续、在线监测的特点,被越来越多地应用于材料性能的研究,但由于蠕变实验温度过高,超过传感器使用温度限制,因此在金属材料蠕变损伤领域还尚属空白。本文以Q345R钢为例,设计蠕变声发射监测专用的夹具导波机构,进行Q345R钢蠕变声发射监测实验。监测结果表明,蠕变损伤过程的声发射活动表现出与蠕变曲线相类似的阶段性特征。蠕变初期撞击数较多,声发射较为活跃;随着损伤的演进,试件进入稳态蠕变阶段,声发射活动渐趋平稳,日平均撞击数趋于稳定值;蠕变后期,能量快速释放,声发射活动加剧,试件发生蠕变断裂。     

船用金属材料声发射信号特性研究

利用声发射技术对6种船用金属材料拉伸试验过程中产生的声发射信号进行了详细研究。通过对材料从弹性、屈服、强化直至破坏过程中的声发射信号参数统计分析,总结了船用金属材料拉伸过程中声发射信号事件数量、幅度、频率随拉力变化的分布规律,为在船用金属材料与结构缺陷中进行声发射检测的设备参数的配置、传感器的选择和危险等级的划分提供了基础数据。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理

基于现有岩石爆破机理和岩石细观损伤力学 ,认为岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸应力波的初期动态损伤演化阶段和后期爆生气体作用下的准静态损伤演化阶段 ,并分别建立了这两个阶段的损伤模型和断裂准则 ,阐述了岩石爆破损伤断裂的细观理论。     

韧性金属Kaiser效应方向独立性的实验研究

Kaiser效应是声发射技术实际应用的理论基础。本文以韧性金属材料Q345不同方向拉伸实验为例,探究力的方向对韧性金属Kaiser效应的影响。实验结果表明,韧性金属材料在某一方向加载时,表现出了Kaiser效应;当改变加载方向时,呈现出与第一次加载方向类似的声发射特性,说明声发射现象对其他加载方向上所承受的最大载荷不具有记忆的能力,而仅与该方向承载历史有关,即韧性金属Kaiser效应与力的方向性间具有独立性。同时,利用细观损伤理论对这一现象产生的机理进行了定性的解释。     

镁合金疲劳后的静态拉伸声发射特性研究

基于声发射对微损伤的高敏感性特点,本文对不同疲劳损伤程度试件静态拉伸过程中的声发射信号进行分析,得出了镁合金材料的早期损伤演化规律.首先,构建了对疲劳加载后的镁合金进行静态拉伸并同时采集声发射信号的试验方案,实现利用不同损伤程度下材料拉伸声发射性能的差异性来评价材料疲劳损伤的目的;其次,对所采集声发射信号的统计分析,研...     

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.      

Q245R钢拉伸过程屈服载荷的声学测试实验研究

屈服载荷是评判塑性金属材料由弹性变形转化为塑性损伤的重要指标,由于材料内部组织发生塑性变形的不同时性和不均匀性,导致无法在材料损伤的早期确定屈服载荷值,影响材料损伤评价的准确性。本文采用声发射和非线性超声技术,对Q245R钢双边"V"型缺口试件的单轴拉伸过程进行在线测试,分别得到声发射测试条件下的屈服载荷值F_(As)和非线性超声测试条件下的屈服载荷值F_(βs)。通过与试件名义屈服载荷值F_s间的比较得到F_(As)F_(βs)F_s,证明了利用声发射和非线性超声技术能够实现材料损伤的早期检出。     

基于声发射特征的充填体损伤演化研究

为探究声发射信号与充填体细观破坏之间的关系,研究声发射特征振铃计数、能率和应力随时间的变化规律,进一步揭示充填体损伤演化过程,进行了全尾砂胶结充填体声发射特性力学实验。基于损伤力学理论并引入有效损伤率,得到基于声发射累积事件率的损伤变量,然后构建了充填体损伤本构方程。研究结果表明,声发射振铃计数和能率在不同受力阶段呈现不同变化,与充填体内部孔隙及裂纹损伤演化过程有密切关系。振铃计数在弹性阶段前期达到最大,屈服阶段逐渐降低至最小;有效损伤率值与理论峰值应力呈负相关;与实验峰值应力相比,理论峰值应力出现于应变较大处;充填体为高损伤介质,当有效损伤率取值趋近于1时,理论模型曲线与实验曲线变化趋势相同,可以较好的描述充填体应力应变关系。     

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系。试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机理。在劈裂荷载下,岩石破裂产生的声发射信号的累计振铃计数呈稳定增长期、突增期、平静期3个阶段,且峰值频率呈带状分布,分别集中于0~50kHz,100~150kHz及300kHz上下3个频率段;岩石断口微观特征为典型的脆性拉伸断口样貌,且断口花样的复杂程度与振铃计数率呈正相关,断口破裂尺度与峰值频率呈负相关。     

Acoustic Emission Analysis of Nanoindentation-Induced Fracture Events

Monitoring of acoustic emission activity is employed to characterize the initiation and progression of local failure processes during nanoindentation-induced fracture. Specimens of various brittle materials are loaded with a cube-corner indenter and acoustic emission activity is monitored during the entire loading and unloading event using a transducer mounted inside the specimen holder. As observed from the nanoindentation and acoustic emission response, there are fundamental differences in the fracture behavior of the various materials. Post-failure observations are used to identify particular features in the acoustic emission signal that correspond to specific types of fracture events. Furthermore, analysis of the parametric and transient acoustic emission data is used to establish the crack-initiation threshold, crack-arrest threshold, and energy dissipation during failure. It is demonstrated that the monitoring of acoustic emission signals yields both qualitative and quantitative information regarding highly localized failure events in brittle materials.     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

Classification of cracking mode in concrete by acoustic emission parameters

The study occupies with acoustic emission monitoring of several types of concrete during bending. The signals emitted at the different fracturing stages exhibit distinct signatures. Specifically, frequency and shape parameters of the acquired waveforms shift during the experiment, closely following the sequence of fracture mechanisms from tensile micro-cracking to brittle macro-cracking and fiber pull out. A number of AE indices are proposed, the use of which will enable classification of the cracks according to their mode. The study sheds light to the fracture process of cementitious materials, and enables a warning against the final failure. The simplicity of the scheme renders it applicable in situ.     

Q235B钢动态本构及在LS-DYNA中的应用

采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）装置,对我国钢结构建筑中最常用的Q235B钢进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验和动态拉伸实验。基于实验数据对LS-DYNA常用的3种动态材料模型Cowper-Symonds本构模型、Johnson-Cook本构模型、Zerilli-Armstrong本构模型进行了拟合,通过Taylor杆实验对3种本构模型进行验证和对比分析。结果表明:Q235B钢具有较为明显的高温软化和应变率强化效应;Cowper-Symonds本构模型可以较好地适用于工程领域低速碰撞的模拟;Johnson-Cook本构模型可适用于较大应变率范围内的模拟;不推荐Zerilli-Armstrong本构模型在工程低速碰撞领域中使用。