考虑微缺陷形状的细片层状珠光体钢的损伤本构模型

基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,利用在一个特殊坐标系下基于椭球形孔洞模型得到的可考虑孔洞形状变化混合强化材料的损伤演化率得到了铁素体相的损伤本构方程,通过混合物理论利用铁素体和渗碳体相各自本构关系并考虑其几何特征得到了珠光体团的损伤本构模型。进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的宏观损伤本构描述,发展了相应的数值方法与程序。讨论了孔洞形状对材料损伤的影响,并对典型珠光体双相材料BS11在非对称循环加载史下的弹塑性响应特性进行了分析,得到了与实验较为一致的结果。     

U71Mn钢轨气压焊焊接接头滚动磨损与损伤性能研究

研究了U71Mn钢轨气压焊焊接接头上各区域的组织与性能,并利用MMS-2A轮轨滚动磨损与接触疲劳试验机对焊接接头材料进行试验,分析了各区域的磨损与损伤特性. 结果表明:焊接接头组织为珠光体,但晶粒大小及渗碳体形态和大小存在差异. 焊缝中珠光体晶粒较小,渗碳体呈细小片层状及细小颗粒状,因此硬度高且塑性变形能力强. 在1×105和2×105循环次数时耐磨性优于母材,在3×105循环次数时,焊缝磨损量大于母材磨损量,且焊缝表面损伤较母材严重. 在焊缝两侧各有1个区域(软化区),组织为粒状珠光体和少量片层状珠光体,颗粒大小和片层厚度不均匀,硬度较小,磨损量较大,塑性变形层较厚,表面损伤最严重.      

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑,本文采用分子动力学（MD）模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;b.在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大;c.在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下,级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释,对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑,本文采用分子动力学（MD）模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;b.在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大;c.在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下,级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释,对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.      

车轮材料特性对轮轨磨损与疲劳性能影响的研究

在MMS-2A滚动摩擦磨损试验机上进行不同材料车轮与U75V热轧钢轨的匹配试验,研究材料特性对轮轨试样磨损与疲劳性能的影响.结果表明:随着车轮碳含量增加,组织中珠光体比例增加,珠光体中渗碳体片层间距减小,硬度增大;随着轮/轨硬度比增大,车轮表层的塑性变形层厚度逐渐减小,对摩副钢轨塑性变形层厚度呈现先增大后减小的趋势;车轮试样磨损形式由小剥离掉块向大剥离掉块转变,钢轨磨损机制由材料表层的轻微剥落向深层剥落磨损转变;提升车轮的硬度,轮轨表面的疲劳裂纹长度减小;且随着车轮硬度的增大,钢轨表面萌生的疲劳裂纹的末端扩展角度有增大的趋势,使钢轨的疲劳裂纹更容易向材料心部扩展.     

微结构弹性损伤模型

本文从微结构理论出发,用相对变形描述微结构之间的微空隙和微裂纹引起的材料损伤的影响,得到用损伤张量描述各向异性损伤的微结构弹性损伤模型.化简该损伤模型可得到目前公认的几种主要损伤模型.对于混凝土材料的单向拉、压的基本受载情况的计算结果与D.krajcinovic的平面裂纹矢量损伤模型的计算结果及实验数据吻合较好,特别在失稳后阶段对实验结果也有较好描述.     

材料强度对层板抗弹性能和损伤特性的影响

根据纤维增强复合材料宏细观结构特征,基于ABAQUS软件平台,建立了层合板高速冲击损伤三维有限元分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,采用三维粘弹性本构,结合Hashin失效准则模拟单层板面内损伤,利用该模型,深入研究了复合材料层板的抗弹性能和损伤特性,数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.通过数值分析,详细探讨了材料强度参数对层板抗弹性能和损伤特性的影响规律,获得了一些有价值的结论.     

双基推进剂的高应变率力学特性及其含损伤ZWT本构

为了解双基推进剂在冲击载荷下的力学特性及本构行为,利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）对双基推进剂进行了单轴压缩实验,并对实验数据的有效性进行了检验。用二波法对实验数据进行处理,得到了双基推进剂的应力应变曲线。实验结果表明：双基推进剂具有明显的应变率相关性,动态下屈服应力与静态下相比明显提高,且屈服应力表现为应变率对数的双线性关系;双基推进剂屈服应变表现为延脆转换特性,在低应变率下表现为延展性,高应变率下表现为冲击脆化特性。利用含损伤朱王唐（ZWT）本构模型对实验结果进行了拟合,得到了模型中的本构参数,并对损伤因子项进行了分析。通过模型预测曲线与实验曲线的对比,发现含损伤ZWT本构能较好地描述双基推进剂在0～0.14应变范围内的力学特性。     

球化退火态重载车轮钢CL70磨损性能及组织演化

对CL70重载车轮钢进行球化退火获得球状珠光体组织. 将组织为片状珠光体和球状珠光体的CL70分别与U75V钢轨钢在滚动摩擦磨损试验机上以相同参数进行干摩擦纯滚动试验. 使用称重法测量磨损量、利用带电子背散射衍射附件的扫描电子显微镜及显微硬度计对两种组织形态的试样运行表面进行组织及硬度变化情况的观察与分析. 结果表明:球状珠光体组织磨损性能不及片状珠光体组织. 二者的磨损机制和强化机制不同,片状珠光体组织以疲劳磨损为主,通过塑性变形和晶粒不断细化至纤维状再到纳米晶,位错不断累积并达到良好的强化效果. 球状珠光体组织以黏着磨损为主,只有铁素体和少量渗碳体变形和碎化,硬度提升主要来自于渗碳体颗粒周围的位错集中,硬化效果较差.      

Using DIC to Identify Microscale Strain Fields from In-situ SEM Images of a Pearlitic Steel

Digital Image Correlation (DIC) is used to analyze in-situ obtained SEM images of a pearlitic steel. Rather than using a synthetic speckle the microstructure of the material (cementite lamellae embedded in a ferrite matrix) is used as a natural speckle. The impact of the DIC method parameters on the identified motion (displacements and strains) is studied and it is shown that the method is robust, in the sense of being insensitive to the subset size, when it comes to determining the local subset displacements. However, a sufficiently large subset size is required in order for the local subset strains to converge.     

On the modeling of evolving anisotropy and large strains in pearlitic steel

A phenomenological model for deformation induced evolution of anisotropy at large strains in pearlitic steel is proposed. The modeled anisotropy is based on a homogenization of an ideal pearlitic microstructure. An areal affine type of reorientation is assumed for the individual grains. Furthermore, a yield criterion of the Hill type is proposed and motivated from the grain reorientation. In each pearlitic grain the cementite lamellas have a privileged direction. The symmetry group of each individual grain is therefore considered transversally isotropic. In a virgin material, the privileged directions of the different grains are randomly oriented, which allows for the interpretation that the material on the macroscopic length scale is initially isotropic. However, the cementite lamellas in the grains tend to align after large stretching or shearing deformation. The modeled evolution of anisotropy on the macroscopic length scale shows a saturation characteristics under large deformations.     

浅埋小净距隧道爆破损伤探测及数值模拟分析

为了研究爆破荷载对浅埋小净距隧道围岩造成的损伤影响,以济南顺河快速路南延工程浅埋暗挖段为工程背景,通过LSDYNA软件将建立的各向异性动态损伤本构用于隧道爆破的损伤数值模拟,研究炮孔周围的损伤范围;并基于声波测试原理,对浅埋小净距隧道围岩的损伤进行了现场探测。结果表明：在数值模拟中,单个炮孔爆破形成的最大损伤影响半径为0.58 m,最大损伤影响深度为1.88 m,根据岩体的损伤破坏阈值,岩体的破坏水平范围可达0.14 m,破坏深度为1.70 m;根据现场探测,中夹岩受双线隧道交替爆破开挖其损伤程度较围岩其他部位要高,爆破开挖对隧道围岩造成的损伤范围在0.50 m左右,与模拟结果相接近,验证了各向异性动态损伤本构的准确性。研究成果对浅埋小净距隧道的爆破开挖和损伤控制具有一定指导作用。

     

A micromechanics-based elastoplastic damage model for granular materials at low confining pressure

This paper is devoted to the formulation of a micromechanics-based constitutive model for granular materials under relatively low confining pressure. The constitutive formulation is performed within the general framework of homogenization for granular materials. However, new rigorous stress localization laws are proposed. Some local constitutive relations are established under the consideration of irreversible thermodynamics. Macroscopic plastic deformation is obtained by considering local plastic sliding in a limit number of families of contact planes. The plastic sliding at each contact plane is described by a non-associated plastic flow rule, taking into account pressure sensitivity and normal dilatancy. Nonlinear elastic deformation related to progressive compaction of contacts is also taken into account. Material softening is described by involving damage process related to degradation of microstructure fabric. The proposed model is applied to some typical granular materials (sands). The numerical predictions are compared with experimental data.