重组竹顺纹冲击力学性能研究

重组竹是一种新型竹基复合材料,其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能,以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3～5年的毛竹基重组竹为研究对象,通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验,研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明:重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段,破坏类型为延性破坏,其各项强度指标随应变率的提高而提高,动态增长因子与应变率之间呈现线性关系,斜率为0.0024;重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系,且随应变率的增长而增大,证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明,重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。     

金属材料在高速冲击载荷下的韧性和组织结构

本文对35CrMnSiA、37CrNiMo、40Cr、LY12四种金属材料,在不同加载速率下测定其断裂韧性K_(1c)和K_(1d)值;并探讨了四种材料随应变率的增加其断裂韧性变化规律及试样在不同应变率(ε)下的微观机制。     

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

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.      

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为.因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义.氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故论文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响.在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的冲击力学性能

以矿渣和粉煤灰为原料,以氢氧化钠和液体硅酸钠为激发剂制备出养护28 d后静态抗压强度高达56.4 MPa的矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土（geopolymer concrete, GC）试件,以普通硅酸盐水泥为原料制备出养护28 d静态抗压强度高达61.6 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土（ordinary Portland cement concrete, PC）试件,采用100 mm霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置分别对GC试件和PC试件进行冲击压缩试验,得到了2种材料在0~100 s-1平均应变率范围内的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线,并与PC进行了对比,研究了矿渣-粉煤灰基GC的冲击力学性能。结果表明,GC作为一种新型混凝土类材料,在冲击荷载作用下具有较好的强度、变形性能和韧性;GC是一种率敏感材料,冲击荷载作用下抗压强度、变形性能和韧性随应变率的增大而增强;和PC相比,冲击荷载下GC的抗压强度较小,韧性较低,GC在开始破坏前产生的变形与PC的基本相等,完全破坏时产生的变形较小。     

爆炸与冲击载荷下结构和材料动态响应研究的新进展

对激波与高应变率现象的基础问题及应用国际学术会议 (EXPLOMET 2 0 0 0 )和第 2 0届国际理论与应用力学大会 (ICTAM 2 0 0 0 )上有关爆炸冲击载荷下结构和材料动态响应的研究论文进行了回顾和综合分析。分别从应力波、结构的高应变率响应和材料的高应变率响应三个方面就其新进展和新动向作了述评。     

高速Taylor冲击下CoCrNiSi0.3C0.048中熵合金变形微观结构的演变机制

通过对具有三级沉淀微观结构的CoCrNiSi_0.3C_0.048中熵合金(MEA)进行了Taylor冲击试验,形成了具有宽泛应变和应变率梯度的Taylor杆状试样,研究了其应变和应变率依赖的梯度微观结构分布特征及演化机制.随着应变和应变率的增加,一级Cr₂₃C₆碳化物的演变方式主要为裂纹数量增多,主裂纹中裂纹分叉增多以及裂纹宽度变大.二级Type-Ⅰ型SiC沉淀变形的演变方式主要为裂纹的产生和扩展.三级Type-Ⅱ型SiC沉淀主要为位错-绕过机制逐渐加剧.FCC基体的演变方式主要为位错与孪晶和三级沉淀之间的相互作用加剧.     

热轧产品微观组织和力学性能的数学模拟

热轧产品的微观组织和力学性能的计算机预报涉及到塑性变形力学、传热学、金属学、冶金学、实验技术等多个学科,是近年来迅速发展的具有广泛应用前景的应用技术. 本文综述了作为该技术基础的力学、传热学数值分析方法和微观组织、力学性能的预报模型.     

软基体混合胞孔材料的力学性能及抗多次冲击性能

为了探索具有优异吸能性能的软基体混合胞孔材料的力学性能,研究该类材料在多次冲击下的冲击响应和材料的可恢复性,对一种软基体混合胞孔材料—人工软骨仿生超材料（artificial cartilage foam,ACF）进行了不同速度下的单轴拉伸和压缩实验,得到了ACF材料在不同应变率条件下的应力-应变曲线。并利用落锤冲击实验机对ACF材料和另一种软基体混合胞孔材料—发泡聚丙烯材料（expanded polypropylene,EPP）进行了多次冲击下的对比测试,得到了2种材料在单次和多次冲击下的动力学响应。实验结果表明:ACF材料是一种应变率敏感的材料,随着应变率的提升,材料的弹性模量、抗拉强度和抗压强度均逐渐提高;在50 J 冲击能量作用下,ACF材料能够吸收96%以上的冲击能量,远高于EPP材料的70%,ACF材料具有更加优异的吸能性能;5次冲击后ACF材料的最大峰值力、最大变形量和吸能能力几乎不变。相比于EPP材料,ACF材料有良好的可恢复性,且具有稳定的多次抗冲击能力。这些研究为软基体混合胞孔材料在多次冲击防护中的应用提供了实验依据。     

金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述

金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中,总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。

     

淬硬45钢在高温、高应变率下的动态力学性能及本构关系

在20℃~800℃的温度范围和10-3~104s-1的应变率范围内,采用电子万能试验机和分离式霍 普金森压杆,对淬硬45钢(45HRC)分别进行准静态实验和动态压缩力学性能实验,得到应力应变曲线。结 果表明:淬硬45钢的流动应力对应变率敏感性一般,但表现出较强的温度敏感性,随着应变率的增大而增大, 随着温度的升高而降低。采用以高斯函数表示温度效应的改进Johnson-Cook本构方程拟合了淬硬45钢在 高应变率和高温条件下的本构关系,拟合曲线与实验数据吻合较好。     

Surface effects on mechanical behavior of elastic nanoporous materials under high strain

This paper studies surface effects on the mechanical behavior of nanoporous materials under high strains with an improved anisotropic Kelvin model. The stress-strain relations are derived by the theories of Euler-Bernoulli beam and surface elasticity. Meanwhile, the influence of strut (or ligament) size on the mechanical properties of nanoporous materials is discussed, which becomes a key factor with consideration of the residual surface stress and the surface elasticity. The results show that the decrease in the strut diameter and the increase in the residual surface stress or the surface elasticity can both lead to an increase in the carrying capacity of nanoporous materials. Furthermore, mechanical behaviors of anisotropic nanoporous materials in different directions (the rise direction and the transverse direction) are investigated. The results indicate that the surface effects in the transverse direction are more obvious than those in the rise direction for anisotropic nanoporous materials. In addition, the present results can be reduced to the cases of conventional foams as the strut size increases to micron-scale, which confirms validity of the model to a certain extent.     

A review on mechanisms and models for very-high-cycle fatigue of metallic materials

在循环载荷作用下, 合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10⁷以上的过程被称为超高周疲劳 (very-high-cycle fatigue, VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起, 直到近年的最新进展.引言之后的内容包括: 超高周疲劳研究的起源, 超高周疲劳的主要特征, 超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量, 裂纹萌生特征区的形成机理与模型, 超高周疲劳性能预测模型. 在叙述中, 试图回答下列问题: 什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料 (试样) 内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么? 上述问题有的可以给出明确的回答, 有的则是现阶段的最新结果, 并有待于对问题的继续探索.     

Development of a micro-indentation device for measuring the mechanical properties of soft materials

Indentation is a simple and nondestructive method to measure the mechanical properties of soft materials, such as hydrogels, elastomers and soft tissues. In this work, we have developed a micro-indentation system with high-precision to measure the mechanical properties of soft materials, where the shear modulus and Poisson's ratio of the materials can be obtained by analyzing the load–relaxation curve. We have validated the accuracy and stability of the system by comparing the measured mechanical properties of a polyethylene glycol sample with that obtained from a commercial instrument. The mechanical properties of another typical polydimethylsiloxane sample submerged in heptane are measured by using conical and spherical indenters, respectively. The measured values of shear modulus and Poisson's ratio are within a reasonable range.     

钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能

为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律,采用分离式大直径（75 mm）SHPB实验技术,测试了钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值,平均应变率,计算了混凝土材料的损伤值,描述了加载破坏现象,对实验结果进行了分析。结果表明:混凝土材料在被动围压下,延性、抗破坏能力得到加强,具有明显的增强效应。被动围压下SHPB实验中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB实验中破坏应变的1.8～2.8倍;破坏应力达到150 MPa以上,为静力学无围压条件下的2～5倍。     

几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究

利用直拉式Hopkinson装置研究了碳纤维、无碱E玻璃纤维、Kevlar 4 9/96 4 /96 4c、Twaron2 0 0 0、DyneemaSk6 6等纤维的动态拉伸性能。与准静态加载条件下相比 ,纤维束的拉伸强度基本与应变速率无关(玻璃纤维除外 ) ,而纤维束的弹性模量和失效应变随应变率的升高而明显变大。从高分子物理以及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加载速率的关系进行了初步的物理阐释。讨论了实验数据的发散原因。     

PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明：(1) 试验应变率临界值为200 s⁻¹,当试验应变率大于200 s⁻¹时,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2) 碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3) 使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4) 通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。

     

A methodology for determining mechanical properties of freestanding thin films and MEMS materials

We have developed a novel chip-level membrane deflection experiment particularly suited for the investigation of sub-micron thin films and microelectro-mechanical systems. The experiment consists of loading a fixed-fixed membrane with a line load applied at the middle of the span using a nanoindenter. A Mirau microscope interferometer is positioned below the membrane to observe its response in real time. This is accomplished through a micromachined wafer containing a window that exposes the bottom surface of the specimen. A combined atomic force microscope/nanoindenter incorporates the interferometer to allow continuous monitoring of the membrane deflection during both loading and unloading. As the nanoindenter engages and deflects the sample downward, fringes are formed and acquired by means of a CCD camera. Digital monochromatic images are obtained and stored at periodic intervals of time to map the strain field. Stresses and strains are computed independently without recourse to mathematical assumptions or numerical calibrations. Additionally, no restrictions on the material behavior are imposed in the interpretation of the data. In fact, inelastic mechanisms including strain gradient plasticity, piezo and shape memory effects can be characterized by this technique.The test methodology, data acquisition and reduction are illustrated by investigating the response of 1-μm thick gold membranes. A Young's modulus of , a yield stress of and a residual stress of are consistently measured. The post-yield behavior leading to fracture exhibits typical statistical variations associated to plasticity and microcrack initiation.