单晶高温材料中铸造微孔洞的扩长

基于有限变形晶体塑性本构关系及三维体胞模型,采用有限元的方法,分析了在不同应力三维度、不同罗德参数、不同滑移系开动及不同加载取向下,单晶高温合金中铸造微孔洞扩长的力学行为。分析结果表明:累积剪切应变在铸造微孔洞的扩长中起着很重要的作用,大的累积剪切应变对应高含量的铸造微孔洞;开动滑移系族的类型对铸造微孔扩长的影响不容忽视,故准确的确定开动滑移系的类型,对于评估单晶热端部件的寿命至关重要。由于不同的取向具有不同的Schmid因子、弹性模量及开动滑移系,单晶高温合金中的铸造微孔洞的扩长还与取向密切相关,因此根据热端部件工况,合理的选择其取向是有必要的。     

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.     

含冷却孔镍基合金次级取向效应的应变梯度晶体塑性有限元研究

单晶镍基合金具有优异的耐高温、高强、高韧等性能, 这些力学性能受制造过程引入的次级取向和冷却孔的影响. 已有研究大多关注单孔薄板的变形机理和力学性能, 而工程中应用的往往是多孔薄板, 当前亟需阐明多孔的塑性滑移带变形机理、次级取向效应以及冷却孔引起的应变梯度效应. 文章采用基于位错机制的非局部晶体塑性本构模型对含冷却孔镍基单晶薄板的单拉变形进行了数值模拟. 此模型基于塑性滑移梯度与几何必需位错的关系引入了位错流动项, 因此可有效刻画非均匀变形过程中的应变梯度效应. 为了全面揭示含孔镍基薄板的次级取向效应, 系统研究了[100]和[110]取向(两种次级取向)下镍基薄板的单拉变形行为, 并重点探究了在两种次级取向下冷却孔数量对薄板塑性行为的影响. 此外, 还分析了镍基合金板变形过程中各个滑移系上分切应力变化、主导滑移系开动以及几何必需位错密度的演化过程, 并讨论了塑性滑移量及其分布特征对不同次级取向镍基合金板强度的影响. 研究表明, 单孔和多孔的[110]薄板抗拉强度均低于[100]薄板, 多孔薄板的塑性变形过程比单孔薄板更为复杂且受次级取向影响更大, 并且发生滑移梯度位置主要位于冷却孔附近以及塑性滑移带区域. 研究结果可为工程中镍基合金的设计和服役提供理论指导.      

CrMnFeCoNi高熵合金纳米晶温度相关的拉伸行为研究

高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金.实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性.论文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6.18 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟.模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理.微结构演化分析表明:随着温度的降低,塑性变形阶段滑移系开动的越少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;温度越低,模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的孔洞和断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好.     

Cr/Cr2O3多层薄膜的制备、力学及摩擦学性能研究

为了提高Cr2O3陶瓷薄膜的韧性及摩擦学性能,设计制备了Cr/Cr2O3软硬交替的多层薄膜,通过复配韧性层提高Cr2O3陶瓷薄膜的韧性及摩擦学性能,同时研究了调制周期对Cr/Cr2O3薄膜力学性能及摩擦学性能的影响.研究结果表明多层薄膜的韧性和第一临界载荷随调制周期的减小而增大,而其硬度随调制周期的减小而降低.调制周期为1 075 nm的薄膜表现出了最好的综合性能,即薄膜具有较好的膜基结合强度、较高的韧性和硬度,同时薄膜具有最好的抗磨损性能.     

单晶高温合金中铸造微孔洞的扩长

基于有限变形晶体塑性本构关系及轴对称体胞模型,采用有限元的方法,分析了在不同取向偏角及不同滑移系开动,单晶高温合金中铸造微孔洞扩长的力学行为。分析结果表明:取向偏角对铸造微孔洞的扩长具有重要的意义,但对铸造微孔洞的形状改变影响不大,为改善单晶高温合金热端部件的疲劳、蠕变性能,控制晶体的取向偏角是很必要的;滑移系族开动的类型对铸造微孔洞的扩长有很大的影响,这种影响与Schmid因子、加载的取向相关,为更加准确地分析单晶高温热端部件的寿命,确定滑移系族开动类型至关重要。     

Ti过渡层对NbSe2薄膜润滑-导电性能的影响

采用射频磁控溅射技术制备了系列金属钛(Ti)为过渡层的NbSe_2薄膜,分析了Ti过渡层的厚度对薄膜成分、结构和机械性能的影响,并研究了在大气环境下薄膜的润滑-导电性能.结果表明:改变Ti过渡层的厚度,可实现对薄膜中Se/Nb原子比和结晶度的调控.随着Ti过渡层厚度的增加,薄膜的致密度、膜-基结合强度及力学性能得到了明显改善.同时,NbSe_2薄膜维持原有(002)面择优取向,这利于薄膜的侧向滑移,从而提升了薄膜的减摩耐磨性能.然而,过厚的Ti过渡层会导致薄膜中Se/Nb原子比和结晶度下降,致使薄膜中游离金属元素含量升高. Ti过渡层的厚度超过30 nm时,虽然薄膜的结构仍然致密,且导电性能也有所增强,但其减摩耐磨性能却明显减弱.可见,适当厚度的Ti过渡层,才有助于提高NbSe_2薄膜的润滑-导电性能.     

纳米尺度下烷烃润滑薄膜分层现象和速度滑移机制的分子模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度下十六烷润滑薄膜的分层现象和速度滑移现象,重点考察了剪切速度对速度滑移现象的影响规律,并对其中的微观机理作出了解释.研究结果表明:在铁壁面的限制情况下润滑薄膜出现了分层现象,当润滑薄膜厚度超过50?时,其中间区域呈现出体相均质流体的特征.润滑薄膜层间滑移和界面滑移的临界剪切速度分别为5.5和7.5?/ps,随着剪切速度增加,界面滑移程度增强,而层间滑移程度减弱.润滑薄膜第1和2层十六烷分子层间桥接分子数目决定层间滑移程度,随着剪切速度增加,桥接分子数目也相应增多,层间滑移程度随之减弱.     

全长锚固锚杆锚固单元力学性能实验研究

锚固单元的传力特性是影响全长锚固锚杆支护能力的重要因素。由于锚固单元界面构成复杂，本文主要考虑锚杆与粘结材料及其界面的力学特性，开展锚固单元界面剪切力学实验研究。实验结果表明，砂浆强度直接影响界面的峰值强度和剪切刚度；采用相同强度砂浆，界面的峰值强度、剪切刚度和残余剪切强度都与法向应力成正比；在相同法向应力作用下，剪切速率增加引起峰值剪切强度增大，但对残余剪切强度影响较小。依据实验剪切应力–位移曲线将锚固单元与岩石间界面的解耦过程分为“峰前–软化–滑移”三阶段，非连续变形分析方法数值模拟结果表明，加载初期的损伤主要受粘结材料抗拉强度的影响，临近峰值阶段与粘结材料张剪混合破裂相关；软化阶段和滑移阶段主要受粘结材料剪切特性和颗粒形状的影响；引入实验所获得的三线滑移模型曲线到全长锚固锚杆模型，模拟拔出数值实验结果表明较快拔出速率将影响锚杆变形能力。     

薄膜涂层材料界面纯剪破坏标准试验法的开发

界面强度是薄膜涂层材料的最重要的性能指标之一，目前尚缺乏有效的测量方法。测量界面强度的主要困难在于寻求一种便于试验的试件形状和加载方式，使得界面上能够产生不同的应力状态，即在不同的剥离应力和剪应力比的状态下发生破坏。本文采用有限元数值分析（ABAQUS），研究了几种具有简单几何形状的试件的界面应力，并基于大量的数值试验，设计了剪应力为破坏支配因素的试件形状和加载方式，并且给出了便于应用的最大界面剪应力的经验估算公式。该经验公式可以适用于各种材料组合和薄膜涂层的厚度。研究结果表明，通过对薄膜涂层材料试件的基体引入缺口以产生应力集中，进行普通的四点弯曲试验，可以进行剪应力占支配地位的界面破坏试验。利用本文提出的试件形状和相应的最大界面剪应力经验公式，可以通过破坏试验简单地得到界面的剪切强度。     

CrMnFeCoNi纳米晶温度相关的拉伸行为研究

摘要：高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金。实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性。本文针对这一现象，利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟。模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理。微结构演化分析表明：低温下，塑性变形阶段，滑移系开动的较少，位错滑移所受的阻力越大，屈服强度和抗拉强度越大；模型破坏时，孔洞缺陷形核较慢，更多孔洞缺陷演化成断口，更多的断口分摊拉伸应变，使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好。     

石英纤维布氰酸酯树脂基复合材料的环境试验性能研究

对石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料进行了常温、低温和湿热三种环境下的拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切和钉孔挤压等试验研究,得到了该复合材料的拉伸压缩面内剪切的强度和弹性模量以及层间剪切强度和钉孔挤压强度等力学性能参数。结果表明:石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能参数具有温度相关性。在低温环境下,力学性能参数不同程度地增强,最大增长量达40%;而在高温环境下,力学性能参数则明显下降,最高下降量达到56%。另外,由于复合材料的层间性能主要由基体决定,所以湿热环境对复合材料层间性能的影响很大,在工程实际中应特别关注。     

纳米尺度边界滑移的分子动力学模拟研究

利用分子动力学模拟方法研究了纳米尺度超薄膜润滑的边界滑移现象,分别模拟考察了固液作用势、固液密度差异和温度对滑移长度的影响.结果表明:在固液作用势较强的情况下,滑移长度随着温度的增加而增大;当固液作用势较弱时,滑移长度随着温度的增加反而下降;滑移界面上、下的层状有序化差异程度是导致滑移的主要原因;应用所建立的方法可以较好地解释不同物理参数条件下的壁面滑移问题.     

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.     

电子封装技术中金属基板结构的热失效行为研究

本文将电子散斑干涉与有限元数值计算相结合，对金属基板结构的热失效行为进行了研究。获得了低维氧化物绝缘薄膜的热失效温度，以及失效过程中基板表面的变形分布；测定了25μm厚度绝缘氧化薄膜的热膨胀系数，室温下弹性模量和失效应力等三个重要的材料常数；结合实验所测定的材料常数和研究的基板结构及性能，用有限元数值方法，模拟计算了绝缘氧化薄膜在不同缺陷形状时的失效过程。并给出了不同温度下绝缘氧化薄膜的最大应力集中值。     

开小孔钢筋混凝土简支梁的受力性能试验研究

开小孔的钢筋混凝土梁(孔径d与梁高h比小于0.3)具有节省空间和材料等优点,在土木工程中被广泛运用.其受力性能不同于无孔钢筋混凝土梁,孔洞的形状和位置对钢筋混凝土梁的受力性能有明显影响.运用光弹试验研究在集中荷载作用下,对各种形状孔洞在不同位置时的孔洞周边主应力分布,从而得出孔洞的合理形状和位置.再通过承载试验,研究了不同孔洞直径和孔洞位置条件下,梁破坏裂缝的开展,孔边箍筋以及跨中部纵筋的应变分布、挠度变化.根据本次试验结果以及文献资料,提出开小孔钢筋混凝土简支梁在集中荷载作用下的斜截面承载力计算公式.     

中应变率拉伸载荷下DZ2车轴钢的动态力学响应与微观组织演变

高速列车运行过程中车轴可能遭受不同程度的冲击载荷作用，导致车轴的结构损伤与破坏，从而影响列车运营安全和服役寿命.因此，明晰冲击载荷下车轴材料的力学响应和变形损伤行为，对高速动车组车轴的运维与设计具有重要意义.论文研究了DZ2车轴钢在中应变率(0.1～100 s^-1)拉伸条件下的力学性能和微观结构演变，揭示了DZ2车轴钢的变形与失效机理，构建了可准确描述DZ2车轴钢力学响应行为的Zerilli-Armstrong模型.结果表明，位错滑移和韧性断裂是DZ2车轴钢塑性变形和失效的主要机制，但由于位错运动状态的改变，其强度的应变率依赖性在不同应变率范围内存在较大差异.当应变率低于10 s^-1时，DZ2车轴钢内的位错密度低，位错运动阻碍作用小，其强度不会随应变率增加而显著变化，具有低的应变率敏感性；而在应变率超过10 s^-1后，DZ2车轴钢内的位错密度大幅度增加，位错运动速率加快，位错短程作用增强，从而增大了材料的变形抗力，材料的强度随应变率增加而增大，表现出显著的应变率强化效应，应变率敏感性也明显提高.与实验数据相一致，Zeri...     

CrMnFeCoNi纳米晶温度相关的拉伸行为研究

摘要：高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金。实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性。本文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟。模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理。微结构演化分析表明：低温下,塑性变形阶段,滑移系开动的较少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好。     

SHEAR TEST AND FINITE ELEMENT SIMULATION OF POLYURETHANE POLYMER GROUTING MATERIALS1)

通过扭转试验对高聚物注浆材料剪切性能进行试验研究,并在扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM) 下观测了试件断面处胞体形状破坏特征,在此基础上通过有限元数值模拟,对其剪切变形力学响应特征及剪应力分布规律进行了研究。结果表明：密度对高聚物材料的剪切强度及剪切模量影响显著,且随着高聚物材料密度的增加,其剪切强度和剪切模量被显著提升;高聚物材料胞体分布遵循能量最低原理,密度越大,胞体表面积越小,表面能越小,体系越稳定;面心立方体堆砌模型可以较好模拟材料剪切变形行为,且密度越大,拟合效果越好。     

聚氨酯高聚物注浆材料剪切测试与有限元模拟

通过扭转试验对高聚物注浆材料剪切性能进行试验研究,并在扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)下观测了试件断面处胞体形状破坏特征,在此基础上通过有限元数值模拟,对其剪切变形力学响应特征及剪应力分布规律进行了研究。结果表明:密度对高聚物材料的剪切强度及剪切模量影响显著,且随着高聚物材料密度的增加,其剪切强度和剪切模量被显著提升;高聚物材料胞体分布遵循能量最低原理,密度越大,胞体表面积越小,表面能越小,体系越稳定;面心立方体堆砌模型可以较好模拟材料剪切变形行为,且密度越大,拟合效果越好。