新型纳米结构金属材料的力学性能及变形机制

“纳米结构” 化是金属及其合金材料获得优异力学性能的有效途径.纳米结构金属材料表面或内部的缺陷, 包括晶界、位错、孪晶、孔洞、裂纹、第二相等, 其形核、演化及互相作用对材料的强度和韧性具有重要影响. 该文综述了与上述科学问题相关的新型纳米结构金属材料的微观组织结构表征及力学性能测试、强韧化机制计算模拟方面的研究进展. 并讨论了急需从微观尺度上就新型纳米结构金属材料的特征力学行为和关键变形机制开展深入、系统研究.      

基于微观结构非均匀性的非晶合金力学行为

非晶合金弛豫/晶化、玻璃转变、塑性变形等热力学和动力学行为都与其固有的结构非均匀性密切相关. 但是, 由于淹没在亚稳的长程无序结构中, 探究非晶合金的结构非均匀性十分困难. 尤其, 非晶合金微观结构非均匀性与其力学性能之间的本征关联是一个亟待解决的重要科学问题. 本文基于多尺度时空下的力学激励阐述非晶合金微观结构非均匀性特征与演化规律. 从实验、理论和数值模拟方面出发, 梳理了非晶合金微观结构非均匀性与弛豫机制和力学行为之间的关联. 最后, 针对非晶合金微观结构非均匀性与其物理/力学性能研究的方向提出了建议和展望.      

断裂微观过程的模型化及其力学分析的概论

在近代断裂理论的发展中,宏观与微观的结合已成为一个重要的方向.这方面的研究一般包括以下几项基本工作:1.通过微观研究阐明断裂发生的物理过程,即断裂的机制.2.在此基础上提出一个既能反映物理过程的基本特征又能进行数学处理的力学模型.3.对模型进行数学分析找到材料的组织结构及其基本力学性能与宏观断裂韧性的关系.下面概略介绍单调加载下的有关工作.     

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

探针实验力学

扫描探针显微系统的发明,使人们通过探针获得了原子级的微观结构,而近年的研究更是将探针技术应用于各种相互作用的检测和分析之中.一个以探针为检测平台的新的检测技术和系统已日益凸显并引起广泛关注.本文提出探针实验力学这一新概念,并以探针为主题介绍其在微纳尺度材料和结构的力学性能检测中的相关技术和典型应用.涉及探针检测系统及其标定、探针检测中的夹持和加载、探针和试样表面的相互作用、探针微力传感器等.     

温度梯度对热致型形状记忆聚合物板力学性能的影响

形状记忆聚合物作为一种新型的智能材料,由于质量轻、成本低以及变形回复率大等优势,已经在航空、医学等领域得到广泛应用。当前对于热致型形状记忆聚合物力学行为的研究,大都集中在整体变温的情况下,随着应用环境的越来越广泛,温度梯度对材料力学性能的影响效果越发重要。本文在均匀应力的假设下,给出材料在不同初始和传热条件下的温度梯度分布情况,结合传热学和热致型形状记忆聚合物相变理论本构模型,分别讨论了不同温度梯度对存储应变、弹性模量等力学性能的影响,通过理论分析和实验数据对比验证了模型正确性。本文研究可为不同导热情况下,对热致型形状记忆聚合物力学行为监测提供思路,也为形状记忆聚合物的进一步工程应用提供理论依据。     

利用结构基因法研究非线性周期性板结构的等效力学性能

非线性周期性板结构是一类在智能复合材料领域具有巨大应用潜力的结构,因其构成材料的非线性特性,以及结构中经常包含增强纤维、肋板和空洞等复杂微结构导致的材料几何非线性,利用常规的有限元方法进行建模和分析较为困难.本文提出了一种结构基因法,通过提取非线性周期性板结构的最小模型单元作为其结构基因,将异质周期性板结构等效为均质板结构,便捷地求解了非线性周期性板结构的微观力学性能和整体等效力学性能.算例表明,结构基因方法可用来分析复杂非线性复合材料结构问题,计算结果精度足够,为复合材料微观力学研究提供了有价值的参考.     

分布式光纤裂缝检测的有限元分析及试验

对分布式光纤裂缝检测技术中光纤-混凝土复合体的微观力学行为进行了分析. 考虑了涂覆-护套、护套-混凝土双界面的状态非线性,混凝土采用双线性各向同性强化模型以消减局部应力集中,避免护套-混凝土之间的过度穿透. 采用试验确定的接触对力学参数,用ANSYS进行了数值模拟,得到了光纤-混凝土复合体的微观应力分布及光纤的曲率分布. 定量分析了缝宽与弯曲损耗的关系,计算结果与试验结果符合较好,从理论上验证了光纤布置方式、护套厚度对传感灵敏度和动态范围的影响,为分布式光纤裂缝检测技术提供了修正的微观力学分析理论和方法.      

植物纤维增强复合材料力学高性能化与多功能化研究

论文从植物纤维的微观结构、化学组成以及力学性能入手,针对植物纤维增强复合材料的界面性能,综述了国内外采用植物纤维表面处理方法来提升复合材料力学性能的研究进展,分析了所遇到的瓶颈,并进一步从复合材料结构设计的角度出发,充分利用植物纤维独特的多层次、多尺度的微观结构特点,通过揭示植物纤维增强复合材料多层次、多尺度的界面力学损伤破坏机制,实现了植物纤维增强复合材料的界面调控和力学高性能化。在此基础上,提出了植物纤维增强复合材料兼顾阻燃和声学性能的结构设计原则和特有的界面力学研究方法。此外,也介绍了相关基础研究成果在航空、轨道交通等领域的示范应用,并针对实现绿色复合材料的结构功能一体化的应用提出了未来研究方向。     

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子（包括遗传物质和蛋白质）力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向.      

钨合金的冲击动力学性质及细微观结构的影响

简单介绍了钨合金(主要为W-Ni-Fe)的制备工艺和常用热处理方法,其后着重从动 态力学性能、剪切带的实验观察和研究、细微观结构对材料力学性能的影响等几方 面总结和评述了近年来针对钨合金取得的主要结果.并在文章的最后初步提出了有 前景的几个研究方向.     

Ultrasonic nondestructive evaluation of microstructural changes of solid materials under plastic deformation—Part II. Experiment and simulation

The microstructure of materials introduced by rolling, drawing, heat treatment or other methods of material processing relates to the macroscopic mechanical properties of the materials, such as the strength and anisotropy. The velocity and attenuation of the ultrasonic waves propagating in the materials are known to be dependent upon such microstructural material properties. The author has proposed a theoretical modeling of an ultrasonic nondestructive method to evaluate the microstructural property changes of materials in Part I of this work. In the present paper, annealed effects on plastically deformed states of an aluminium alloy were studied using the proposed ultrasonic nondestructive evaluation method and it was found that close agreement between the simulated results and experimental data was possible.     

热环境对超高温陶瓷材料抗热震性能的影响

基于超高温陶瓷材料相关材料参数对温度的敏感性,以现有的抗热震断裂评价理论为基础,通过考虑温度对超高温陶瓷材料物理性能的影响,探讨了热震温度范围内热应力衰减系数、表面热传递系数、热冲击初始环境温度等热环境参数对抗热冲击阻力参数、断裂临界温差和断裂临界温度的影响.      

基于微结构指标主成分分析的沉桩挤土效应研究

前期研究已认识到,土的宏观力学性质及其表现从本质上应取决于土的微观结构。在结构性较强的软土中沉桩,桩周土体内部结构会发生显著变化,土体的强度与变形性质是这种内在变化的宏观表现,研究土体微观结构与宏观力学行为变化之间的关系,对认知土体的力学性质,从微观出发去认识沉桩挤土效应的机理,指导工程实践具有重要地理论和现实意义。本文基于天津滨海地基土实际静压桩工程,在沉桩的不同时刻、沿桩身的不同位置取桩周土体原状土样进行室内三轴固结不排水剪切试验,得到土体强度指标参数,同时进行对应的微观结构试验,得到垂直与水平方向的10个微结构指标。采用主成分分析方法,在微结构指标中提取3个主成分,较好地分析了土体微结构特征。研究表明: 3个主成分与黏聚力之间存在较好的相关关系,而与内摩擦角之间的相关性相对较弱; 第一主成分对各微结构信息的提取比较充分,第二、第三主成分是对第一主成分未反映信息的进一步补充。同时主成分分析表明,土体微结构性质对强度性质起控制作用,在沉桩过程中,近地表和下部土层宏观力学指标表现出了相反的变化规律。主成分分析方法较好地表述了土体的微结构性质,为进一步从微观入手解释沉桩挤土效应机理提供了有力依据。     

Influence of the Flame Straightening Process on Microstructural, Mechanical and Fracture Properties of S235 JR, S460 ML and S690 QL Structural Steels

The flame straightening of steel components is based on heating a local region of the part by means of a torch in order to induce a permanent deformation through a field of residual stresses. Although this is a very common practice, it is not devoid of serious drawbacks. In this paper, the influence of the flame bending procedure on the microstructure of three very different structural steels (S235 JR, S460 ML and S690 QL, respectively), widely used for the construction of metallic structures, is analysed. The consequences of the heat treatment on the mechanical and fracture properties were characterised through micro-hardness Vickers and Charpy impact tests; in addition, some elastic-plastic fracture tests were performed on precracked Charpy specimens manufactured with the S235 JR steel. The relationship between the microstructural features and the material mechanical and fracture behaviour was studied in depth in all cases, correlating the changes induced by the flame heat treatment on the microstructure with the macroscopic mechanical and fracture response. For a proper understanding of the microstructural consequences of this straightening heat treatment, it was necessary to develop a Finite Element numerical model. Based on the experimental results, this study has revealed that the consequences of the flame straightening on the microstructure, mechanical or fracture behaviour strongly depend on the nature of the material; for this reason, it is not possible to establish general recommendations. Nevertheless, the paper proposes a series of guidelines for good practice for steels similar to those characterised here.     

皮肤组织压缩行为与热损伤的相关性

皮肤组织生物热力学是一门涉及生物传热、烧伤、生物力学和生理神经学等的高度交叉的新兴学科.皮肤组织的热力学性能表征对皮肤组织生物热力学的建立和完善以及许多医学应用领域都具有相当重要的作用.然而,目前对于皮肤组织力学性质和温度之间的量化关系却几乎没有开展研究,试图揭示高温引发的热损伤对皮肤组织力学性能影响的研究也相当少.该文重点描述了猪皮在各种热损伤度下的压缩行为,讨论了与热损伤与皮肤压缩行为的相关性及机理.结果表明:皮肤的刚度随热损伤度的提高而下降,并且具有不同损伤度下的应变速率敏感性,这些特性主要是由皮肤的水合作用变化所引起的.     

Microstructural and mechanical properties of thermal barrier coating at 1400°C treatment

The mechanical properties of plasma-sprayed thermal barrier coating (TBC) play a vital role in governing their lifetime and performance. This work investigated the microstructural and mechanical properties of TBC with high temperature treatment at 1400°C by scanning electron microscopy and indentation. We calculated elastic modulus and hardness through the application of Weibull statistics analysis. The results indicate that the microstructure of ceramic coating will change continuously at high temperature, and accordingly the porosity decreases due to the grain growths and crack closes. In addition, the elastic modulus and hardness nonlinearly go up with the heat treatment time and go down with increasing porosity. This demonstrates that the microstructural evolution and porosity of TBC are caused by high temperature treatment, and as a result its mechanical properties are influenced.     

A Finite Element Analysis of a Viscoplastic Plate Subjected to Rapid Heating

Abstract

This paper models the response of a thin metallic plate that is subjected to a rapid heat input. In order to accurately model plate response, both the dynamic mechanical and transient heat transfer problems must be solved. The solution is complicated by nonlinearities due to radiation boundary conditions and material inelasticity. Furthermore, the viscoplastic constitutive equations that model the mechanical material behavior are numerically stiff. Nonlinear finite element algorithms are developed for both heat transfer and mechanical analyses. The algorithms are both stable and efficient for solving the problems considered herein. Example problems presented in the paper demonstrate the importance of including material nonlinearity in the model