脆性断裂的微观机理和非平衡统计特性

Ⅰ.引言如何才能将断裂的微观机理与宏观特性结合起来,把断裂理论建立于微裂纹演化的微观动力学基础上,从而统一导出所有重要的宏观力学量并以某些更基本的物理量表示之?这是人们为实现材料的强度和韧性设计必需解决的一个重要理论课题。就脆性断裂来说,尽管现有几个主要代表性的理论如断裂力学理论、位错理论和统计理论都各取得一定成就,但就其理论框架来说,由于明显的局限性,却难以发展成可供指导设计的理论。因此,人们在探索微观与宏观相结合的断裂理论。最近的工作表明:从微裂纹演      

物理力学的产生及其发展

物理力学是近代力学一个新的分支,它是研究宏观力学现象的微观理论的学科。物理力学的基本目的是:从构成物质的微观粒子(如原子、分子、电子)的性质及其相互作用出发,找出介质和材料的宏观力学性质的计算方法,并且探讨力学运动规律的微观表述形 ...     

合金凝固过程的数学模型

对合金凝固过程的数值研究自80年代以来取得了很大的发展,文中讨论了当前针对宏观过程的主要的数学模型,介绍了它们的基本思想,求解方法,以及优缺点.指出了微观过程对宏观行为的重要影响及在模型构造过程中考虑宏观-微观耦合的必要性,并针对在工程实际中的应用和以后的研究进行了有关的探讨.      

断裂力学的宏观和微观理论及计算研究

断裂的理论研究可认为是从1920年Griffifh考察裂纹扩展所需的能量而开始的,之后,Peirce(1926),Weibull(1939)首先应用数学统计方法研究脆断问题。1940年后,关于脆断的研究有许多工作,但直到60年代初,这些研究都只是片断的,其结果零星地散布在各种杂志上,并没有构成一个新的理论分支。只有在高强材料被大量应用且出现了越来越多的事先估计不到的破坏事故之后,人们才着手大力推进断裂现象的研究,并使断裂力学逐渐成为固体力学和强度物理(Physics of strength)的一个崭新分支。由于断裂的研究密切地联系着力学、数学、物理、化学及材料科学,所以,断裂理论研究的范围十分广泛,累积的文献特别众多。目前,它的研究内容既包括线弹性的,又包括非线性的;既有宏观的,还有微观或亚微观的;既有静力的,还包括动力的,并出现了若干专      

断面分形研究中的几个问题

本文讨论了分形几何应用于断裂研究的几个基本问题．主要内容包括断面的分形特征及分维测量,分维与宏观力学性能（如断裂韧性等）的关系,分形断裂模型及分形断裂的物理机理．      

千枚岩岩石微观破裂机理与断裂特征研究

岩石的宏观断裂与其内部微结构和微缺陷紧密相关,建立岩石微观破裂机理和宏观断裂之间更直观的联系是当今断裂力学的难题之一。本文以金沙江上游泥盆系中统中段的绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象,利用扫描电镜与力学试验等多种测试手段,通过对2种千枚岩岩石断口的微观形貌特征的研究,揭示了千枚岩岩石微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系。指出绢云母千枚岩岩石以沿晶面擦花的微观破裂形式为主,是典型的微观脆性剪断,而硅质板状千枚岩岩石既有沿晶断裂的拉断破裂,又存在切晶擦花的剪切微破裂形式,是属于拉、剪破裂并存的微观破裂机制。进一步结合岩石断裂的力学特征,分析千枚岩微观破裂与宏观断裂之间的联系。结果显示:千枚岩岩石在外力作用下的断裂形式与其微观破裂形式是可对应的。这一结论为建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂特征的桥梁提供了依据,具有一定的理论意义。     

对裂纹扩展规律Paris公式物理本质的探讨

首先讨论了著名力学家K.Krausz和A.S.Krausz关于Paris公式物理本质研究的成果，从材料的微观结构和裂纹尖端的应力场出发，应用位错动力学理论，热激活能理论和速率过程理论对疲劳裂纹扩展规律进行了微观到宏观的探讨。最终推导出疲劳裂纹扩展速率的一个解析表示式，该式严格地定了Paris公式的两个试验常数，赋予了Paris公式明确的物理意义，从而真实地揭示了Paris公式的物理本质，为这一经验的普遍规律奠定了理论基础。     

一个简化的空穴多级形核模型

1 引言为在细观机理基础上建立韧性材料在一定应力状态下宏观裂纹产生和发展的力学模型。一些学者已做了不少工作.人们力图通过细观研究找到一个较接近韧性材料损伤和断裂物理本质的材料破坏准则,以用来描述和预测韧性材料的损伤和断裂.直到现在,大多数研究都认为无裂纹体与裂纹体的破坏是两个截然不同的问题.人们一直是用不同的准则来判定无裂纹试件和含裂纹试件的破坏的.但若从细观角度来看,对     

功能梯度材料断裂行为实验研究

功能梯度材料作为一种新型材料在众多领域中有着重要的应用价值,其断裂问题是固体力学与材料科学共同关注的课题. 目前,功能梯度材料断裂力学研究工作主要集中在理论分析和数值模拟两方面,实验研究相对较少,其中的大部分实验工作只关注功能梯度材料的宏观断裂性能,而缺乏对其微观断裂机理的研究.本文对近10年来功能梯度材料断裂行为的实验研究的进展予以介绍和评述.首先介绍了可应用于功能梯度材料断裂行为研究的实验方法,然后介绍了相关实验工作的进展和取得的成果,最后分析了实验工作的不足之处,从实验研究角度提出了下一阶段功能梯度材料断裂行为的研究重点.      

蛋白质折叠的统计热力学基础 ————- 非共价作用的统计热力学原理

蛋白质折叠是一个复杂的物理、化学和生物过程,涉及热力学、统计力学、高分子动力学等多个领域的相关知识,单独从宏观或微观角度出发,试图建立蛋白折叠物理模型,都面临着巨大的困难. 统计热力学方法是研究蛋白质分子运动规律的重要途径,本文从溶液环境下蛋白质折叠的非共价作用出发,介绍了疏水作用、氢键、静电力和范德华力的统计热力学机理,并探讨了这些作用力对蛋白质结构稳定性的影响.通过深入理解微观结构相互作用与系统熵、焓、自由能之间关系,有助于我们发展蛋白质折叠的统计热力学理论,进而为蛋白质结构宏观热力学研究提供重要的微观统计力学机理.      

单试样三曲线法测定J积分阻力曲线及条件起裂值

用单试样三曲线法测定了16MnR 钢和某一焊缝金属的 J 积分阻力曲线及其条件起裂值,与标准的多试样测定结果基本吻合.实验表明,单试样三曲线的关联分析反映了带裂纹的三点弯曲试样的宏观断裂物理过程,裂纹的延性扩展符合幂函数规律.     

混凝土断裂过程的力学模型与数值模拟

混凝土是一种典型的非均匀准脆性材料,其断裂过程是非常复杂的.评述了混凝土断裂以及断裂过程研究的进展状况,主要总结了一些研究混凝土断裂的宏观力学方法和模型,介绍了从混凝土的细观层次出发模拟其断裂过程的数值模型.最后,简单介绍了作者用细观数值方法模拟混凝土宏观断裂过程的研究成果.      

高聚物细观损伤演化的研究进展

聚合物的银纹化损伤与断裂是一个复杂和重要的研究课题。简述了银纹引发的(热)力学条件和银纹成核的微观机理。结合最新的研究进展,对银纹向前扩展的弯月面不稳定机理、银纹增厚的蠕变机理和界面转入机理作了较详细的分析与综合。考虑银纹细观结构中横系的作用,对银纹结构模型、银纹微纤断裂判据、微纤断裂行为的分子量和缠结密度相关性以及银纹与裂纹相互作用等问题进行了较详细的综述。指出银纹生长和断裂的深入研究可望建立材料宏观断裂韧性和材料细观结构以及微观参数之间的关联,为进行材料韧性的微观设计提供一条可行的途径。并对今后这一领域的研究方向和重点进行了展望。      

损伤和断裂的统一

本文讨论了连续损伤力学基础的缺陷,从微裂纹随机演化出发给损伤概念作出新的普适的统计定义,导出了损伤断裂几率的动力学方程,使损伤、断裂、统计、微观机理及宏观特性五者有机地相结合,从而有可能形成一个统一的损伤断裂微观统计理论。     

混凝土剪切断裂能与分形维数关系的研究

混凝土断裂试件断口蕴涵着丰富的力学信息，而传统的欧几里得几何难以对复杂的断口形貌进行描述，本文引入分形几何理论对断口形貌进行研究，结合宏观的断裂参量进行数值分析，从而找到了混凝土断裂微观现象与宏观力学量联系的桥梁，本文分析了混凝土四点剪切加载试件的断裂性能，计算了断裂韧度、断裂能等相关参数，并通过扫描电子显微镜对断口形貌观测，运用分形理论计算了此类断口的分形维数，分析了Ⅱ型断裂断裂能和分形维数之间的关系。     

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下,不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展,且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律,通过细观力学方法,对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化,探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型,将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中,对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据,对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法. 采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格. 材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型. 其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数. 计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂. 数值实验表明了方法的有效性.      

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程,对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展,然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟,研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明,不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能,这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品,在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化;含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂,裂尖原子没有出现微结构的变化,其强度和抗断裂性能最低。此外,不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化,对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样,高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样,高应力不仅分布在裂尖,也分布在位错发射和堆积层错形成的区域,在裂纹/孔洞扩展之前,应力随着加载时间的增加而迅速增加,而一旦裂纹或孔洞开始扩展,应力增加非常缓慢或几乎不增加,但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明,在I型...     

橡胶磨粒磨损机理的研究

作者在刀片型磨损试验机上对丁腈橡胶磨粒磨损的各阶段进行了研究,并测定了摩擦功对磨损的影响,还用扫描电镜考察了磨损表面的形貌特征。作者认为橡胶的磨粒磨损包括两个基本过程,即宏观分层剥落和微观分子断裂。该过程形成的山脊状条纹和微小颗粒是其磨损的基本特征。其中,磨损率随摩擦功的n次方增长,非稳态下的磨损率则取决于摩擦行程。在试验研究的基础上,作者提出了橡胶磨粒磨损的物理模型及其数学描述,橡胶磨粒磨损的一般过程可用一条简单的磨损曲线来描述。所得到的磨损方程揭示了材料性质、工况条件与磨损特性之间的基本关系,这些理论结果与试验考察在定性上是一致的。     

微纳米尺度下材料性能多尺度模拟方法进展

微纳米材料的力学行为正日益引起研究者的关注.微纳米材料的性能取决于从微观、细观到宏观多个空间、时间尺度上不同物理过程非线性耦合演化的结果,发展相应的多尺度数值模拟方法已成为该领域研究工作的一个热点.本文对微纳米材料模拟中比较典型的几种协同多空间尺度和协同多时间尺度方法进行了介绍,着重介绍这些方法的的基本思想、应用情况, 以及各自的优缺点,并对微纳米材料多尺度方法的发展趋势进行总结和评述.