扭转冷作硬化的试验研究及分析

扭转冷作硬化技术，能产生充分的塑性变形，从而使试件后继屈服极限和极限载荷比拉伸冷作硬化有大幅度提高。本文从试验研究和理论分析两个方面深入研究了这一问题，引出了有益的结果。     

低碳钢扭转硬化拉伸强度的实验研究

本文提出了关于提高低碳钢硬化强度指标的新方法、是将试样扭转至剪切屈服极限后,按一定梯度增加单位残余塑性扭转角θ_p,卸载后将得到的硬化试样再进行常规拉伸试验,获得扭转拉伸硬化屈服极限σ_(τs)和强度极限σ_(τb),它们超过了常规拉伸硬化的强度指标.     

一种基于物理机制的后继屈服面演化模型

考虑滑移为晶体塑性的主要变形机制,推广单晶滑移理论至多晶体,建立滑移构元模型,研究了后继屈服面的移动、变形等演化规律。基于滑移构元的包氏效应和潜在硬化的影响,后继屈服面的尾部缩进,变得较“平坦”,而前端突出,形成“高曲率区域”。为了验证模型的有效性,本文分别预测了单轴拉伸、纯扭转和拉—扭组合比例/非比例加载下的后继屈服面演化过程,与已有实验结果符合一致。关键词:滑移构元模型,后继屈服面,包氏效应,潜在硬化,非比例加载      

扭转预应变对35CrMo钢低周疲劳性能的影响

自行设计了疲劳和扭转两用的试样,通过对试件预扭转不同的角度,系统研究35CrMo钢在不同扭转预应变下的低周疲劳性能,分析了扭转预应变后35CrMo钢的循环硬化软化特性、滞后回线、塑性应变能及循环弹性模量的变化规律,并对疲劳断口进行扫描电镜分析。结果表明:4种预扭转处理过的试件均表现出明显的循环软化行为,且循环软化规律及衰减的程度基本相同;循环应力范围及疲劳寿命随着预扭转角的增大而降低;应力应变滞后回线中加卸载曲线间的宽度随着预扭转角的增大而减小;塑性应变能都随着循环次数的增大而增加,且随着预扭转角的增大其增大速率下降;循环弹性模量都随着循环次数的增加而逐渐降低,且随着预扭转角的增大其衰减趋势减缓。     

纯铜后继屈服面的测试与晶体塑性模型模拟

通过纯铜薄壁圆管试样的实测和晶体塑性模拟,用单试样法和多试样法对分别经历拉伸、扭转和组合拉扭变形的试样后继屈服面进行研究.考虑预变形方式、测点数目、测试顺序和指定平移应变等不同条件,对后继屈服面测定结果差异及屈服面内凹现象进行探讨.在此基础上,比较了单试样和多试样两种方法的合理性与有效性.数值模拟采用能反映Bauschinger效应的晶体塑性模型,试样有限元模型每个单元的晶体取向均随机生成,能反映多晶材料变形特征.模拟试验加载过程与真实试验一致.研究表明:(1)采用本文方法可再现真实试验过程,模拟后继屈服面测试展示的现象与实测相近,证实了方法的有效性和合理性;(2)模拟测试与实测均发现,薄壁圆管组合拉扭加载测得的后继屈服面可能出现内凹,单试样法测得屈服面的内凹现象尤为显著;(3)若试验材料的材质比较一致,用多试样法测试后继屈服比用单试样法更合理.     

冷弯厚壁矩形型钢板材力学性能分析

为了对冷弯厚壁型钢管的生产工艺改进、产品性能分析、结构强度设计和数值模拟结果的验证提供依据,从母材性能分析入手,针对两批断面规格为200×300×9.2的冷弯厚壁矩形型钢管,对从辊式冷弯成型过程中长型材上截取的平板试件、弯角试件的力学性能进行了测试。在此基础上,结合冷弯生产工艺和母材性能,对平板、弯角试件力学性能随冷弯道次的变化规律作了较详细的讨论和分析,并将本文实测值与相关文献中厚壁型钢的冷作硬化效应作了对比。结果表明:型钢全截面上平板件的性能分布极不均匀,竖直配辊冷弯厚壁矩形钢管时,两竖直侧平板件强度低于母材;板材冷作硬化效应主要取决于母材的强度、伸长率和强屈比,其中强屈比对型钢的冷作硬化效应影响最大;为了改善冷弯型钢性能,还应保证热轧板带的质量。     

实心圆轴扭转测定本构关系的概念和方法

本文提出了实心圆轴扭转试验建立有限应变本构关系(τ—γ曲线)的概念，并在文[1]工作的基础上完成了通过实心圆轴扭转试验建立文献[6]形式的有限应变本构关系的方法，它比单向拉伸试验所得到的本构关系更为精确，因拉伸实验变形较大时试件伸长和变细对测量结果有影响，尤其在“颈缩”后，很难对有关力学量作有效测量和分析，扭转本构关系的描绘也更为完整，以低碳钢为例，扭转本构关系所描述的有效范围比拉伸本构关系大十余倍，本文方法将有利于探讨研究更大应变下的材料力学行为。     

基于分形理论的锈蚀钢筋力学性能研究

为研究钢筋锈蚀后力学性能的退化规律,采用加速锈蚀方法获取锈蚀钢筋,对4根未锈蚀钢筋试件及20根锈蚀钢筋试件进行了拉伸试验。试验结果表明,在加速锈蚀条件下,锈蚀钢筋表面轮廓具有自相似性,可以用分形理论加以描述。锈蚀钢筋表面特征的不同对钢筋力学性能退化有一定影响,例如,应力-应变曲线发生明显变化,屈服强度、极限强度降低,屈服平台缩短直至消失。经过统计分析后,得出了锈蚀钢筋弹性模量、屈服强度、极限强度、极限应变等力学性能的回归公式,并在试验结果分析基础上,建立了与锈蚀表面特征参数相关的钢筋本构关系模型。上述结果可为锈蚀钢筋混凝土结构的计算及评估提供应用参考。     

实心圆试件扭转试验确定大应变本构关系

提出并完成了通过实心圆轴扭转试验建立大应变本构关系的方法。它比单向拉伸试验所得到的本构关系更为精确。因拉伸实验变形较大时试件伸长和变细对测量结果有影响；尤其在“颈缩”后，很难对有关力学量作有效测量和分析。即扭转本构关系的描绘更为完整。以低碳钢为例，扭转本构关系所描述的有效区间比拉伸本构关系大十余倍。该方法将有利于探讨研究更大应变下的材料力学行为。     

单轴载荷下X80钢的包申格效应研究

本文通过单轴拉伸和压缩试验研究了X80管线钢的包申格效应(BE)。采用正向与反向加载方法研究材料变形历史特性。测定了X80钢的简单拉伸试验曲线,其应力-应变关系表明,该材料具有理想弹塑性特点。为了得到X80钢的BE,在不同预变形下对几个试件分别进行加载,并当给定的预应变值分别达到0.63%,0.67%,0.95%,1.27%和1.55%时就卸载。随后再进行反向加载实验,并记录应力应变曲线。该钢材反向加载时出现加工硬化,且屈服强度比正向加载时要低。正反向加载之间的屈服强度差值随着预应变增加而增大;当预应变超过0.95%时,反向屈服强度达到恒量。实验表明,X80钢的反向加载特性可用Remberg-Osgood关系拟合。最后给出了屈服强度降和预塑性应变之间的经验公式。     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．     

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.      

基于ANN-GA协同寻优的动态拉伸试样尺寸优化方法

材料动态拉伸力学性能测试中,动态拉伸试样的几何尺寸对测试结果的准确性与有效性有着较大影响。为对动态拉伸试样的结构进行优化设计,以使其在动态拉伸过程中更好地满足一维应力与变形均匀等基本假设。首先,建立了量化的试样测量准确度指标,即应力平衡达到时间、变形均匀度、非轴向应力相对水平、过渡段相对变形。然后,对试样结构参数进行正交试验设计,通过数值模拟的方法得到了关于试样尺寸与测量准确度指标的正交试验数据库,并对正交试验数据库进行多目标正交试验矩阵分析,得到了试样结构参数对各测量准确度指标影响的主次顺序和规律。最后,以正交试验数据库为训练集,采用人工神经网络（artificial neural network, ANN）协同遗传算法（genetic algorithm, GA）的全局寻优方法对试样的结构尺寸进行优化设计,得到了试样的最优结构尺寸,并对最优尺寸的有效性进行了验证。结果表明,优化后的试样结构在材料动态拉伸力学性能测试精度上的表现明显得以提升。因此,采用ANN-GA协同优化的方法对动态拉伸试样的结构进行优化具有可行性和有效性。     

基于试验与有限元耦合技术的延性材料全程单轴本构关系获取方法

摘 要: 材料拉伸直至断裂的全程单轴本构关系对材料大变形和断裂机理研究具有重要意义。传统拉伸试验获取的材料真应力-真应变曲线在试样颈缩后不可测。借助可以精确测量三维变形的DIC(Digital image correlate) 技术和有限元分析技术(Finite element analysis),本文提出了基于漏斗试样拉伸试验获取材料全程单轴本构关系的新方法,即TF(Test and FEA)方法。该方法将TF方法获取的材料全程单轴应力应变关系曲线作为有限元软件中的材料本构关系对漏斗试样拉伸变形过程进行模拟,其模拟载荷-位移曲线、漏斗根部直径-位移曲线和漏斗变形轮廓线等均与试验结果吻合良好,试样表面模拟应变也与DIC测试结果吻合, 根据不同半径漏斗试样模拟获得的全程真应力-真应变曲线保持良好一致性。最后,还对试样颈缩断面的力学行为进行了讨论,并给出了304不锈钢、汽轮机叶片材料2Cr12Ni4Mo3VNBN和 1Gr12Ni3Mo2VN、汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的全程单轴本构关系模型参数、破断应力和破断应变。     

深部软岩新型相似模拟材料的研制

在总结以往相似模拟材料特点的基础上,结合深部软岩强度、变形特征,本着相似材料组分简单、模型制作便捷等原则,研制了仅以河砂为骨料,松香酒精溶液为粘结剂的深部软岩新型相似模拟材料。通过对不同配比试样进行单、三轴压缩、巴西劈裂试验,获得了不同配比条件下该相似模拟材料的强度、变形、破坏特征。研究表明,通过简单的配比调配,该相似模拟材料可以较好地模拟深部大多类型的软岩,且具有组分简单、模型制作便捷、力学性能稳定、无毒无污染、价格低廉、一定程度上可重复利用等特点。     

Tensile failure of micro-concrete: from mechanical tests to FE meso-model with the help of X-ray tomography

In this work, concrete is studied at meso-scale (aggregates, macro-pores and mortar matrix), where the local failure mechanisms are known to drive the macroscopic behaviour of the material. In order to highlight the impact of the mechanical and morphological properties of each phase (along with their interfaces), micro-concrete specimens are prepared with rather small dimensions compared to the size of the heterogeneities. X-ray tomography is used to reliably obtain the morphology of the heterogeneous meso-structure, which is then given as an input to a 3D FE meso-model with enhanced discontinuities. A uniaxial tensile numerical simulation is performed as a first application. To validate the numerical model, a uniaxial tensile test of the same micro-concrete specimen is performed inside the X-ray scanner and the in-situ evolution of the micro-structure is followed. Thus, both a direct validation of the model and a valuable insight of the 3D fracture mechanisms while the load progresses are obtained. After identification of the numerical parameters, comparison of experimental and numerical results reveals the capability of the meso-model to reproduce the actual material response (in terms of macroscopic strength, Young’s modulus and fracture patterns), with the explicit representation of the meso-scale heterogeneities being its key feature. To further challenge the meso-model, a new morphology coming from an X-ray scan of another characteristic micro-concrete specimen is introduced and its macroscopic behaviour is computed without a priori numerical identification. Starting from an X-ray scan in meso-scale, it is shown that the 3D meso-model is capable to predict the macroscopic behaviour and the failure patterns of the material.

     

橡胶粘结颗粒材料粘弹性性能的试验研究与离散元模拟

制备了颗粒规则四方排列和六方排列的橡胶粘接颗粒材料试样,实验测试了所制备试样在单向拉伸载荷下的应力松弛曲线和不同应变率时的应力应变曲线。基于所测试的应力松弛曲线,采用曲线拟合方法得到了所测试材料的宏观Burger’s粘弹性本构模型参数。采用离散元模型中单元间连结模型代表颗粒间橡胶粘接剂的作用,并基于试样的宏观Burger’s模型参数与离散元模型中细观Burger’s连结模型参数间的关系,建立了橡胶粘接颗粒材料的无厚度胶结离散元分析模型。最后采用所建立的离散元模型计算了所测试试样的松弛和拉伸力学性能。离散元预测结果与实验结果的对比表明,采用无厚度胶结离散元模型能较好的计算颗粒规则排列的橡胶粘接颗粒材料松弛和拉伸力学性能,但基于应力松弛实验拟合而来参数不能准确反应橡胶粘接剂在高应变率条件下其力学性能的应变率相关性。     

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.      

Thermo-Mechanically Coupled Thermo-Elasto-Visco-Plastic Modeling of Thermo-Induced Shape Memory Polyurethane at Finite Deformation

A series of mono tonic tensile experiments of thermo-induced shape memory polyurethane(TSMPU) at different loading rates were carried out to investigate the interaction between the internal heat production and the mechanical deformation. It is shown that the temperature variation on the surfaces of the specimens due to the internal heat production affects the mechanical properties of TSMPU remarkably. Then, based on irreversible thermodynamics, the Helmholtz free energy was decomposed into three parts, i.e., the instantaneous elastic free energy,visco-plastic free energy and heat free energy. The total deformation gradient was decomposed into the mechanical and thermal parts, and the mechanical deformation gradient was further divided into the elastic and visco-plastic components. The Hencky's logarithmic strain was used in the current configuration. The heat equilibrium equation of internal heat production and heat exchange was derived in accordance with the first and second thermodynamics laws. The temperature of specimens was contributed by the internal heat, production and the ambient temperature simultaneously, and a thermo-mechanic ally coupled thermo-elas to-visco-plastic model was established. The effect of temperature variation of specimens on the mechanical properties of the material was considered in this work. Finally, the capability of the proposed model was validated by comparing the simulated results with the corresponding experimental data of TSMPU.     

Micromechanics and macromechanics of carbon nanotube-enhanced elastomers

The effects of carbon nanotubes on the mechanical behavior of elastomeric materials is investigated. The large deformation uniaxial tension and uniaxial compression stress-strain behaviors of a representative elastomer are first presented. This elastomer is then reinforced with multi-wall carbon nanotubes (MWNTs) and the influence of weight fraction of MWNTs on the large deformation behavior of the resulting composite is quantified. The initial stiffness and subsequent strain-induced stiffening at large strains are both found to increase with MWNT content. The MWNTs are also found to increase both the tensile strength and the tensile stretch at break. A systematic approach for reducing the experimental data to isolate the MWNT contribution to the strain energy of the composite is presented. A constitutive model for the large strain deformation behavior of MWNT-elastomer composites is then developed. The effects of carbon nanotubes are modeled via a constitutive element which tracks the stretching and rotation of a distribution of wavy carbon nanotubes. The MWNT strain energy contribution is due to the bending/unbending of the initial waviness and provides the increase in initial stiffness as well as the retention and further enhancement of the increase in stiffness with large strains. The model is shown to track the stretching and rotation of the CNTs with macroscopic strain as well as predict the dependence of the macroscopic stress-strain behavior on the MWNT content for both uniaxial tension and uniaxial compression.