基于声发射原理监测涂层疲劳磨损的研究

采用超音速等离子喷涂设备在45^#钢基体上制备了铁基自熔剂合金涂层,通过球盘式接触疲劳试验机考察了喷涂层的疲劳磨损行为,利用声发射技术实时监测涂层的疲劳磨损过程,使用扫描电子显微镜对涂层不同疲劳磨损阶段的损伤形貌进行表征,并分析了涂层损伤机理.结果表明:转速2 000 r/min和应力水平1.848 9 GPa条件下,剥落是涂层失效的主要形式.声发射幅值和绝对能量可以反映涂层的疲劳磨损过程.涂层的疲劳磨损过程主要包括弹塑性变形、裂纹萌生、裂纹稳定存在、裂纹稳定扩展、裂纹失稳扩展5个阶段,其中裂纹稳定存在时间是影响疲劳寿命长短的关键.     

磨合过程摩擦力单重分形和多重分形的研究

分别在CD40润滑油和加入添加剂的CD40润滑油润滑条件下,通过销-盘摩擦磨损试验机对船用柴油机活塞环和缸套进行磨合磨损试验,提取摩擦力的时间序列信号,应用分形维数和多重分形谱研究了摩擦力的分形行为.结果表明:摩擦力信号具有分形特征;随着磨合磨损过程的进行,信号的分形维数和多重分形谱出现规律性的变化;不同阶段信号的分形维数趋于减小,与磨损表面粗糙度的变化规律一致;不同阶段信号的多重分形谱呈现出递增或递减趋势,反映了磨损表面的动态变化过程.因此,摩擦力信号的分形维数和多重分形谱可以对磨合磨损过程进行定量分析.     

配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈摩擦学特性的影响

UMT-3多功能摩擦磨损试验机上,以丁腈橡胶O型圈/316L不锈钢粗糙表面配副为研究对象,系统研究了配副金属表面粗糙度对丁腈橡胶摩擦学行为的影响,重点探讨了不同表面粗糙度下摩擦系数和磨损体积的变化规律、揭示了不同表面粗糙度下橡胶表面的损伤机制.结果表明:表面粗糙度对丁腈橡胶O型圈的摩擦磨损有重要影响;随着表面粗糙度的增加,稳定阶段的摩擦系数呈先降低后升高的变化趋势.当表面粗糙度在Ra为0.1μm左右时,丁腈橡胶表现出较低的摩擦系数和材料磨耗,磨损表面呈现出典型的花纹磨损特征;而过高或过低的表面粗糙度下丁腈橡胶均表现出较高的摩擦系数和材料磨耗,其磨损机制以黏着磨损和疲劳磨损为主.     

摩擦力和摩擦振动的分形行为研究

在不同的摩擦磨损试验机上提取了摩擦磨损过程中摩擦力和摩擦振动的时间序列信号,采用关联维数方法研究了摩擦力和摩擦振动的分形行为．结果表明：摩擦力和摩擦振动信号具有分形特征;随着摩擦磨损过程的进行,信号分形维数的变化出现规律性的递增或递减;对于“收敛”或磨合磨损过程,不同阶段摩擦信号的分形维数趋于增大;对于“发散”的摩擦磨损过程,不同阶段的摩擦信号的关联维数趋于减小．摩擦力和摩擦振动的分形维数的变化规律同摩擦磨损过程中表面形貌分形维数的变化规律相似。     

动态裂纹扩展中的分形效应

假设裂纹顶端沿着分形轨迹运动，建立了裂纹扩展的分形弯折（ｋｉｎｋｉｎｇ）模型来描述裂纹的动态扩展。根据这个模型，我们推导了分形裂纹扩展对劝态应力强度和裂纹速度的影响．动态应力强度因子与表观应力强度因子之比Ｋ（ｌ（ｔ），Ｖ）／Ｋ（Ｌ（ｔ），Ｏ）是表观裂纹速度Ｖ＿Ｏ，材料微结构参数（ｄ／Δａ），分维Ｄ和裂纹扩展路径的弯折角θ的函数。本文研究结果表明：在分形裂纹扩展中，表观（或量测）的裂纹速度Ｖ＿Ｏ很难接近Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速Ｃ＿ｒ．动态断裂实验中Ｖ＿Ｏ明显低于Ｃ＿ｒ的原因可能是分形裂纹扩展效应所致。材料的微结构，裂纹扩展路径的分维和弯折角均很强地影响动态应力强度因子和裂纹扩展速度。     

1Cr18Ni9Ti不锈钢在滑移区的微动磨损行为

研究了1Cr18Ni9Ti不锈钢在滑移区的微动磨损行为,分析了其摩擦系数、磨损体积损失以及磨损表面和截面形貌,探讨了其微动磨损机理.结果表明,1Cr18Ni9Ti不锈钢的微动磨损分为开始、过渡和稳定3个阶段.开始阶段以粘着磨损为主,稳定阶段以表层破碎剥落为主.1Cr18Ni9Ti不锈钢磨屑的形成机制取决于表层形成摩擦学白层和加工硬化的速率同亚表层疲劳裂纹扩展速率的竞争,重载条件下,前者占据主导地位.     

几种橡胶磨损45^#钢的影响因素分析

对３种橡胶材料（天然橡胶、丁腈橡胶和丁苯橡胶）在不同介质（空气、清水和氢氧化钠溶液）条件下磨损４５＾＃钢的现象进行了试验研究，用Ｘ射线光电子能谱仪对钢的磨损表面作了分析，考察了橡胶的物理性能、化学结构及介质对钢磨损率的影响，发现橡胶磨损４５＾＃钢的过程可以分为２个阶段。橡胶的物理性能主要在第２阶段（钢表面的化学反应膜因摩擦表面硬颗粒的微切削耐脱落）影响钢的磨损，磨损率随着橡胶硬度的增大而增大；橡胶     

磨损表面形貌的三维分形维数计算

基于分形理论和磨损表面扫描电子显微分析，采用盒子维方法计算了磨损表面的三维分形维数．结果表明，在计算尺度范围内，采用与尺度无关的分形维数表征磨损表面形貌特征是可行的；实际磨损表面的三维分形维数同其表面粗糙度密切相关，表面粗糙度越大，分形维数越大；同表面粗糙度相比，分形维数计算值较稳定.     

金属橡胶隔振构件中不锈钢丝的微动摩擦磨损性能研究

以金属橡胶隔振构件疲劳试验数据为基础,将柱-块摩擦样品表面刻槽以嵌入并固定钢丝,在SRV高温摩擦磨损试验机上评价φ0.3 mm的冷拉拔1Cr18Ni9不锈钢钢丝在不同载荷下的微动摩擦磨损性能,用激光扫描共焦显微镜对其磨痕表面进行分析.结果表明:冷拉拔不锈钢丝的表面粗糙度Ra值为3.447μm;在磨损初期阶段,需要约28s打磨其表而的凹凸体;由不锈钢丝"微动单元"的摩擦曲线可以将其磨损过程划分为表面打磨、接触面黏着、第三体床形成以及稳定磨损4个阶段,其中稳定磨损阶段的摩擦系数相对平稳,磨痕表面光滑程度高于基体的原始表面,磨痕深度介于50～60μm之间.     

高温疲劳表面短裂纹的分形研究

对2.25Cr-1Mo合金钢进行了高温疲劳实验，采用中断试验与复膜技术相结合的方法观测了试样表面疲劳短裂纹萌生，扩展及合体的演化过程，并用数据格子方法研究了含裂纹表面的分形特征。结果表明：疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征，可以用分形理论加以描述；分形维数随着疲劳过程的继续而稳定地成比例增加；分形维数可以作为把握材料总体损伤状态的参数，可作为寿命评价的依据。     

带边缘斜裂纹橡胶板的裂纹扩展研究

应用断裂力学的方法分析了带有初始斜裂纹的二维橡胶板在简单拉伸下的裂纹扩展特性.应用ABAQUS有限元软件建立了二维橡胶板的有限元模型,计算出倾角为0°,15°,30°,45°和60°的边缘斜裂纹橡胶板拉伸试件沿不同方向的J积分,得出橡胶板的裂纹扩展方向.通过有限元分析得出橡胶板并非沿着初始裂纹方向扩展而是与初始裂纹方向呈一夹角,且随着裂纹倾角的增大裂纹扩展方向和初始裂纹方向的夹角逐渐减小.     

天然橡胶磨粒侵蚀过程中的表面化学效应

研究了天然橡胶分别在含石英砂的清水、聚丙烯酰胺溶液和氢氧化钠溶液冲击作用下磨粒侵蚀过程中所发生的表面化学效应，并且利用扫描电子显微镜、Ｘ射线光电子能谱仪和傅立叶表面红外仪，对天然橡胶在磨损前后的表面形貌、元素的化学状态和官能团进行了观察与分析。     

乏油环境下橡胶密封材料在粗糙表面上的摩擦磨损行为研究

在UMT-3多功能摩擦磨损试验机上,以丁腈橡胶/Si C砂纸配副为研究对象,系统研究了乏油(包括润滑油和润滑脂)环境下橡胶密封材料在不同粗糙表面上的摩擦学特性,重点考察了乏油工况下橡胶/粗糙表面摩擦配副的摩擦系数时变性、减摩程度和减摩持久性,揭示了乏油工况下橡胶在粗糙表面上的损伤机制.结果表明:乏润滑剂工况下,润滑剂的减摩程度和减摩持久性强烈依赖于对偶件表面粗糙程度;随着对偶件表面粗糙度的降低,润滑剂的减摩程度呈先缓慢提高后迅速增强的变化趋势,然而减摩持久性先降低后又逐渐升高.同时,乏油工况下的减摩持久性均优于乏脂环境;在磨损机制上,随着对偶件表面粗糙度的降低,乏润滑剂环境下橡胶材料的表面均由伴随明显犁沟特征的严重磨粒磨损逐渐转变为损伤轻微的磨粒磨损.而在无润滑条件下,橡胶由典型的磨粒磨损机制损伤特征转变为花纹磨损形貌,最后又向黏着磨损机制转变.     

基于扩展有限单元法的短纤维/橡胶复合材料裂纹扩展分析

为了研究短纤维/橡胶复合材料裂纹在拉伸载荷作用下的扩展演化规律,应用扩展有限元法对预制裂纹的短纤维/橡胶复合材料的裂纹扩展进行了数值模拟.采用随机顺序吸附算法在ABAQUS软件中生成短纤维分布模型,分析了失效准则参数(最大许用主应力和裂纹表面能)、短纤维细观参数(体积含量、长度和取向角)对裂纹扩展行为的影响规律,探究了...     

水介质中丁腈橡胶溶胀机理及其对磨粒磨损行为影响

研究首先对不同丙烯腈质量分数的丁腈橡胶（18%、26%和41%,即N18、N26和N41）进行浸泡试验分析基于溶胀时间的静态溶胀行为. 然后进一步对溶胀前后的丁腈橡胶样品进行圆型及角型磨粒单向滑动磨粒磨损试验. 为了揭示丁腈橡胶的溶胀机理及溶胀对不同粒型作用下磨粒磨损行为的影响,对试样进行质量、硬度、交联链比重（NMR）和表面形貌（SEM）测试. 结果表明:丁腈橡胶溶胀度随时间的增加而增加,并于240 h后趋于平衡,溶胀影响下老化的主要原因为交联链破坏和物质溶解.丁腈橡胶硬度随溶胀时间的增加而降低. 溶胀后摩擦系数和磨损量增加,同粒径下磨粒磨损程度角型大于圆型,角型磨损受溶胀影响程度更大,其最大溶胀后磨损增量为圆型磨粒的1.56倍. 圆型和角型磨粒分别以滚动和滑动的方式进入摩擦副,形成压入坑和嵌入坑两种不同的表面形貌,溶胀后橡胶组织疏松软化导致表面凹坑加深. 丁腈橡胶溶胀及其对磨粒磨损的影响程度随丙烯腈含量的增加而减小.      

Waveform fractal dimension for mode shape-based damage identification of beam-type structures

Mode shape-based structural damage identification has been a research focus during the last couple of decades. Most of the existing methods need a numerical or measured baseline mode shape serving as a reference to identify damage, and this requirement extremely limits the practicability of the methods. Recently, waveform fractal dimension such as Katz’s waveform fractal dimension (KWD) has been explored and applied to mode shape for crack identification without a baseline requirement. In this study, different from the popular KWD, an approximate waveform capacity dimension (AWCD) is formulated first, from which an AWCD-based modal abnormality algorithm (AWCD-MAA) is systematically established. Then, the basic characteristics of AWCD-MAA on abnormality detection of mode shapes, e.g., crack localization, crack quantification, noise immunity, etc., are investigated based on an analytical crack model of cantilever beams using linear elastic fracture mechanics. In particular, from the perspective of isomorphism, a mathematical solution on the use of applying waveform fractal dimension to higher mode shapes for crack identification is originally proposed, from which the inherent deficiency of waveform fractal dimension to identify crack when implemented to higher mode shapes is overcome. The applicability and effectiveness of the AWCD-MAA is validated by an experimental program on damage identification of a cracked composite cantilever beam using smart piezoelectric sensors/actuators (i.e., Piezoelectric lead–zirconate–titanate (PZT) and polyvinylidene fluoride (PVDF)). The proposed AWCD-MAA provides a novel, viable method for crack identification of beam-type structures without baseline requirement, and it largely expands the scope of fractal in structural health monitoring applications.     

Mode I Fracture at Spot Welds in Dual-Phase Steel: An Application of Reverse Digital Image Correlation

Strain fields in 600 grade dual-phase steel V-notch tensile specimens, both with and without a spot weld, were measured after mode I fracture initiation. Starting with the final image of a fully developed crack, a novel reverse digital image correlation (DIC) analysis was used to determine the path that the crack followed at the onset of fracture as well as the crack tip deformation field. This gave the pixel coordinates of grid points on both sides (i.e. fracture surfaces) of the crack path in the undeformed image. Strain fields that develop in the base material regions surrounding the two fracture surfaces were subsequently measured with forward DIC analysis. Steady state values of the crack tip opening displacement (CTOD) and crack tip opening angle (CTOA), which are important fracture parameters, were measured for the base DP600 metal. Notch tip opening displacement (NTOD) and notch tip opening angle were also measured. It was found that steady state values of the CTOD and CTOA are reached within 2 mm or so of crack growth following completion of the flat-to-slant transition of the fracture surface and stabilization of the crack tunneling effect.     

Asymptotic mechanical fields at the tip of a mode I crack in rubber-like solids

Asymptotic analyses of the mechanical fields in front of stationary and propagating cracks facilitate the understanding of the mechanical and physical state in front of crack tips, and they enable prediction of crack growth and failure. Furthermore, efficient modelling of arbitrary crack growth by use of XFEM (extended finite element method) requires accurate knowledge of the asymptotic crack tip fields. In the present work, we perform an asymptotic analysis of the mechanical fields in the vicinity of a propagating mode I crack in rubber. Plane deformation is assumed, and the material model is based on the Langevin function, which accounts for the finite extensibility of polymer chains. The Langevin function is approximated by a polynomial, and only the term of the highest order contributes to the asymptotic solution. The crack is predicted to adopt a wedge-like shape, i.e. the crack faces will be straight lines. The angle of the wedge and the order of the stress singularity depend on the hardening of the strain energy function. The present analysis shows that in materials with a significant hardening, the inertia term in the equations of motion becomes negligible in the asymptotic analysis. Hence, there is no upper theoretical limit to the crack speed.     

压电界面裂纹裂尖强度因子的显式计算公式

对常见横观各向同性压电材料(TIP)中界面裂纹的裂纹面与压电材料的极化方向成任意夹角的一般情况进行了研究,通过推导得到了计算裂尖强度因子的显式外推公式,同时给出了裂纹面与极化方向垂直的典型情况下的外推公式.这些显式计算公式为常见数值方法如有限元法及边界元法在压电材料断裂力学中的应用提供了便利.     

稀土CeO2对橡胶材料耐磨性的影响

采用干法混炼工艺在橡胶中加入不同质量分数的稀土氧化铈,研究了稀土氧化铈对橡胶耐磨性能的影响.结果表明:当稀土氧化铈的质量分数为5%～10%时,由于稀土氧化铈与橡胶混合较均匀,界面结合良好,可以使橡胶的耐磨性提高近1倍左右;当稀土氧化铈添加量超过10%后,其耐磨性能反而下降.