温度影响下砂岩的细观破坏及变形场的DSCM表征

通过扫描电镜(SEM)实时在线观察研究了温度影响下砂岩的细观破坏,观察到砂岩的脆性断裂可同时发生在不同地方、不同矿物可能独立承载和裂纹分叉等现象. 温度低于100°C时,主裂纹附近有许多微裂纹和支裂纹发生;而温度超过150°C之后,表面很少出现支裂纹或二次裂纹. 随着温度的升高,砂岩的断裂韧性有先升高后降低的趋势,150°C左右是断裂韧性变化的临界温度. 随着温度的升高,砂岩的细观断裂机制有由脆性机制向延性机制转变的趋势,抵抗和协调变形的能力都得到增强. 细观尺度下砂岩的破坏机制有沿颗粒断裂、穿颗粒断裂及其混合断裂,其中沿颗粒断裂机制占主导地位,这是由于沿颗粒破坏需要消耗较少的能量,而穿颗粒断裂需消耗较多的能量. 利用数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)对SEM下砂岩破坏的细观变形场进行了测量,这表明利用DSCM表征岩石的局部变形场的连续式测量是可行的.      

高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性实时测试和微观结构表征分析

为了研究高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性和微观结构,采用单边切口梁三点弯曲法实时测试了C/SiC复合材料在高温空气下的断裂韧性,并采用电子扫描显微镜 (scanning electron microscope,SEM)和X 射线衍射分析仪 (X-ray diffraction, XRD)分析了复合材料在不同温度下的破坏断口和失效机制。研究结果表明随测试温度升高,C/SiC复合材料断裂韧性降低,材料的断裂形式由脆性断裂逐渐演变成塑性断裂。从室温升温到1 000 ℃测试温度条件下,C/SiC复合材料的断裂韧性由12.5 MPa·m1/2降低为10.96 MPa·m1/2,降幅仅为12%,C/SiC复合材料高温断裂韧性良好。不同温度下,材料呈现出不同形式的断裂形貌。常温下断口形貌主要可以看到纤维拔出的现象,随着温度的升高,该现象基本消失,断裂截面变得更平整,材料的强度主要取决于基体的强度。     

考虑温度效应的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃（室温）,100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在100℃时增幅明显。拟合各力学参数的经验公式发现,峰值强度及弹性模量趋于劣化并呈线性降低,峰值应变与温度成正相关。随着温度升高,层状复合岩石呈剪切–滑移型破坏,单一类岩石由剪切破坏向张拉–剪切破坏转化,破坏时微裂纹数量增多,在300℃时延性特征显著。引入考虑温度效应的岩石本构模型并拟合了不同温度下的应力应变曲线,该模型较好地表征了热处理后层状复合岩石的损伤演化规律及破坏特征,合理地揭示了层状复合岩石高温作用后的损伤机理。     

基于纳米压痕的页岩微观力学性质分析

通过引入纳米压痕技术研究了川南龙马溪组页岩的微观力学性质。定量化研究了页岩脆性颗粒和有机粘土复合体以及不同纹层的弹性模量和硬度,分析了影响其微观力学性质的主控因素。研究结果表明:页岩中不同矿物、不同纹层之间的力学性质差异较大,其微观力学性质的差异性来自于自身的成分、构造以及强烈的非均质性。其中脆性矿物颗粒的弹性模量和硬度最大,有机质粘土复合体颗粒的最小;纹层的力学性质介于两种颗粒之间,富含碎屑颗粒的纹层要高于富含粘土颗粒的纹层;页岩中矿物颗粒的弹性模量与硬度之间存在正相关性,而纹层的弹性模量随硬度的增大呈非线性增大。影响页岩力学性质的因素可分为两类,分别是软组份和硬组份两类,弹性模量和硬度与软组份之间存在负相关性,与硬组份呈正相关。     

热开裂损伤对花岗岩变形及破坏特性的影响

本文研究了20℃到600℃不同温度热处理对Stripa花岗岩变形及破坏特性的影响。结果表明,力学性质特征量随热处理温度升高有些非寻常变化。文章还指出可以用声速比来评价岩石的质量。     

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

论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.     

温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度影响的试验研究

为研究温度对灰砂岩物理特征及抗拉强度的影响,利用对径压缩试验对经历不同温度的灰砂岩圆盘试件的力学特性进行分析,结合动态信号测试分析系统实时监测并记录试件中部侧向应变,采用非金属超声检测分析仪、SEM等手段对经历不同温度的灰砂岩纵波波速、微观结构等特征进行表征。试验结果表明:1高温导致灰砂岩质量与纵波波速分别降低了3.83%与50.03%,损伤程度逐渐增大,且在经历温度为600℃时发生突变;2灰砂岩抗拉强度随经历温度的升高而减小,近似服从负线性分布,峰值压缩变形量与峰值侧向应变均随经历温度的升高而增大,在经历温度为600℃时发生突变;3高温导致试件颜色由灰白色变为淡黄色,断面起伏度降低,裂隙数量与裂隙类型增加。上述研究成果可以为热作用下地下结构稳定性的研究提供参考。     

汽轮机转子材料的蠕变损伤与抗裂特性研究

本文对汽轮机转子材料进行了蠕变断裂的试验研究。探讨了30Cr_2MoV材料在工作温度下的蠕变损伤及裂纹的启裂和高温断裂韧性特性.用直流电位法检测了裂纹的扩展量,并分析了各断裂参数和蠕变裂纹扩展速率的关系.     

高温热效应对复合锂基润滑脂性能影响规律研究

作者在本文中主要研究了热效应对复合锂基润滑脂基础脂以及含有二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)的复合锂基润滑脂微观结构、润滑性能以及流变学性能的影响规律. 复合锂基润滑脂经120和150 ℃恒温热处理24 h后,对其外观、红外光谱、边界润滑性能、弹流润滑性能和流变学性能进行了测试. 研究结果表明:120 ℃热处理对复合锂基润滑脂性能影响较小,但基础脂以及含有抗磨添加剂的润滑脂在经历150 ℃热处理后,增稠剂纤维结构变得更为松散,发生明显断裂、网状结构严重破坏,在150 ℃下含有添加剂的复合锂润滑脂的结构强度和触变性明显变差. 上述研究表明,高温条件下的热效应对润滑脂微观结构破坏更大,更容易造成润滑脂性能的显著变化.      

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性，是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是，钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为，比如，屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性，断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应，等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化，形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化，揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应，从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果；最后，对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

快凝粉末冶金铝合金的力学行为

对快速凝固粉末冶金Ａｌ－Ｆｅ－Ｖ－Ｓｉ铝合金在室温与升温（２５０℃）时的单向拉伸和疲劳断裂行为进行了研究。结果表明，在２５０℃时，合金不仅拉伸延性（面缩和延伸率）明显地降低，而且其疲劳强度和寿命也明显地减小．断口观察表明，无论是单向拉伸还是循环加载其断裂方式相同，即室温断口表现为正断呈杯锥式。在２５０℃时，断口表现为斜断呈剪切式。透射电镜研究表明，这种断裂模式的改变可能与不同的位错－粒子交互作用机制有关。     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。     

黏性土渗透性温度效应实验研究

由于全球气候变暖、城市热岛效应加剧和核废料地质处置等原因,温度对黏性土工程性质的影响日益受到关注。本文在实验的基础上,采用直接测量法,对南京下蜀土、淤泥质土以及混合土3种试样,进行了5°～45°温度下的变水头渗透实验,分析了温度对黏性土渗透性的影响。实验结果表明：温度对3种试样的渗透性均有较大影响。温度越高,渗透性越大; 试样的密度越大,渗透系数随温度变化率越低; 在3种试样中,混合土的渗透系数高于淤泥质土和下蜀土的对应值,而淤泥质土的渗透系数又略大于下蜀土。最后对黏性土渗透性的温度效应机理进行了分析,认为水的动力黏滞性,黏粒的双电层厚度以及土的微结构三方面因素的共同作用引起了黏性土渗透性的温度效应。
黏性土,渗透系数,温度效应,机理     

热障涂层高温失效行为的正射投影-单相机三维数字图像相关实验研究

热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)作为一种隔热材料,可降低发动机高温部件的表面温度,提高涡轮发动机的整体性能。涂层服役过程中,TBC陶瓷层的失效将导致高温部件中的金属基底直接暴露于恶劣的高温环境中,严重影响发动机的安全性。其高温服役环境下的力学性能研究是备受材料和力学工作者关注的问题。本文结合热障涂层高温检测的需求,实现了涂层-基底异质表面的高对比度高温散斑制作;发展了正射投影-单相机三维数字图像相关方法(正射投影-单相机3DDIC),构建了跨界面形函数,实现了涂层与基底的三维形貌及位移、应变的同时测量;基于涂层结构的高温拉伸实验结果,建立了依据涂层-基底应变方差差值的涂层失效判断方法,得到了热障涂层在室温(27℃)至1000℃的断裂极限应变。实验结果表明,正射投影-单相机3DDIC方法作为一种可靠测试方法,可以应用于涂层结构高温下的力学失效行为研究。     

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟技术及相应的极端高温环境力学测试技术,是高超声速飞行器防热材料和结构安全设计中事关研制成败的关键技术。本文介绍了自行研制的可实现高至210℃/s的极快非线性升温速率、能够生成高达2MW/m2的瞬态非线性热流密度、实现高达1500℃超高温氧化热环境的石英灯红外辐射式气动热环境试验模拟系统。基于这一性能优越的超高温气动热环境试验模拟系统,发展了如下超高温热环境力学测试技术:1)提出对环境光变化不敏感的主动成像数字图像相关方法,实现了C/SiC复合材料1550℃高温变形的非接触、全场光学测量;2)发展了1400℃超高温热/力联合试验环境下SiC/SiC复合材料结构的断裂特性试验测试技术。本文还简要介绍了高速巡航导弹翼面结构900℃高温热振联合试验,950℃高温非线性热环境下的蜂窝结构隔热性试验等研究内容。本文所发展的超高温气动热环境试验模拟技术和高温热环境力学测试技术,对航天航空领域高超声速飞行器的研制具有重要的军事工程应用价值。     

Influence of relative humidity on fracture toughness of rock: Implications for subcritical crack growth

Information relating to the fracture toughness of geomaterials is critical to our understanding of tensile fracturing, and in particular in geological and rock engineering projects that are subjected to elevated moisture levels. In this study, we conducted a comprehensive set of fracture toughness tests on a suite of key rock types in air under different relative humidities and at constant temperature in order to investigate the influence of relative humidity on fracture toughness. Three sandstones and two igneous rocks were chosen for this purpose. We show that the value of fracture toughness decreases with increasing relative humidity. In addition, we find that the decrease in fracture toughness was more significant when the expansive clay such as smectite was included in rock. Since smectite is prone to expanding in the presence of water, the strength and thus crack growth resistance decrease when relative humidity is high. Therefore, we interpret the decreasing fracture toughness upon the degradation of expansive clays with increasing water content. It was also shown that the decrease of the fracture toughness with increasing humidity is less significant than the concomitant decrease in the measured value of the subcritical stress intensity factor. This was likely as a result of stress corrosion having little influence on the fracture toughness. We conclude that crack growth in rock is affected by humidity, and that clay content is an important contributing factor to changes in fracture toughness and subcritical stress intensity factor.     

实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究

为研究实时高温作用对花岗岩冲击力学特性的影响，以川藏铁路色季拉山施工区域加里东期花岗岩为研究对象，利用分离式霍普金森杆（SHPB）及同步箱式电阻炉，对20～800 ℃实时高温下的花岗岩试件进行冲击压缩试验，分析高温作用及加载应变率对试件破碎特征、动态抗压强度及能量吸收情况的影响，基于粉晶X射线衍射分析矿物成分变化与花岗岩动力学强度的内在关联。研究表明:20～400 ℃高温试件以脆性劈裂破坏为主，碎片形态呈纺锤形，两端尖锐，而600 ℃高温试件以塑性破坏为主，形状趋于圆钝；试件峰值应力随温度升高具有先增大后减小的变化趋势，200 ℃时达到强度阈值，随后持续降低；单位体积岩石耗散能与加载应变率呈线性正相关关系，与温度呈二次函数关系，与峰值应力呈指数关系，拟合效果良好；石英、云母和长石三种主要矿物成分的含量波动、相态变化等因素共同导致花岗岩动力学强度在200 ℃后逐步劣化。     

Degradation of nylon-6/clay nanocomposites in NO<Subscript><Emphasis Type="Italic">x</Emphasis></Subscript>

Nylon-6 is an important engineering polymer that, in its fully spherulitic (bulk) form, has many applications in gears, rollers, and other long life cycle components. In 1993, Toyota commercialized a nylon-6/clay nanocomposite out of which it produced the timing belt cover for the Camry. Although these hybrid nanocomposites show significant improvements in their mechanical response characteristics, including yield strength and heat distortion temperature, little is known about the degradation of these properties due to environmental pollutants like NO _x . Nylon-6 fibers are severely degraded by interaction with NO _x and other pollutants, showing a strong synergy between applied load and environmental degradation. While the nanocomposites show a significant reduction in permeability of gases and water due to the incorporation of lamellar clay, their susceptibility to nondiffusional mechano-chemical degradation is unknown. The fracture toughness of these nylon-6/clay nanocomposites increases, not as a function of clay content, but as a function of the volume of nylon-6 polymer chains influenced by the clay lamellae surfaces. Both the clay and the constrained volume offer the nanocomposites some protection from the deleterious effects of NO _x . The time-to-failure at a given stress intensity factor as a function of clay content and constrained volume is discussed along with fracture toughness of the materials.     

Modeling Water Leak-off Behavior in Hydraulically Fractured Gas Shale under Multi-mechanism Dominated Conditions

Fracturing-fluid leak-off in fractured gas shale is a complex process involving multiple pore/fluid transports and interactions. However, water leak-off behavior has not been modeled comprehensively by considering the multi-pores and multi-mechanisms in shale with existing simulators. In this paper, we present the development of a comprehensive multi-mechanistic, multi-porosity, and multi-permeability water/gas flow model that uses experimentally determined formation properties to simulate the fracturing-fluid leak-off of hydraulically fractured shale gas wells. The multi-mechanistic model takes into account water transport driven by hydraulic convection, capillary and osmosis, gas transport caused by hydraulic convection, and salt ion transport caused by advection and diffusion. The multi-porosity includes hydraulic fracture millipores, organic nanopores, clay nanopores, and other inorganic micropores. The multi-permeability model accounts for all the important processes in shale system, including gas adsorption on the organics’ surface, multi-mechanistic clay/other inorganic mineral mass transfer, inorganic mineral/hydraulic fracture mass transfer, and injection from a hydraulically fractured wellbore. The dynamic water saturation and pressure profiles within clay and other inorganic matrices are compared, revealing the leak-off behavior of water in rock media with different physicochemical properties. In sensitivity analyses, cases with different clay membrane efficiency, volume proportion of source rock, connate water salinity, and saturation are considered. The impacts of shale properties on water fluxes through wellbore, hydraulic fracture and matrix, and the total injection and leak-off volumes of the well during the treatment of hydraulic fracturing are investigated. Results show that physicochemical properties in both organic and inorganic matrices affect the water leak-off behavior.