含中心裂纹梯度纳晶金属的数值模拟

梯度纳晶金属由于其微观组织的梯度分布,力学属性也呈现梯度变化,这使得其表现出不同于传统均匀材料的断裂行为．利用材料力学参数的梯度分布来表征梯度纳晶金属中晶粒尺寸的梯度变化,并编写ABAQUS和MATLAB脚本程序建立分层有限元模型．通过数值模拟计算了含有初始中心裂纹的梯度纳晶金属在受远端均匀拉应力作用下的裂尖J积分,分别研究了屈服应力梯度、裂纹角度和裂纹长度对金属材料断裂韧性的影响,并与传统粗晶进行了对比．结果表明梯度纳米结构的存在导致梯度纳晶金属内部的中心裂纹两端表现出不同的断裂韧性,小晶粒一侧裂尖的抗裂韧性优于大晶粒一侧裂尖,且屈服应力梯度绝对值越大,两者差距越大．梯度纳晶金属的断裂韧性受中心裂纹角度和长度变化的影响与传统粗晶金属基本一致,同时在晶粒尺寸梯度的作用下梯度纳晶的裂尖J积分略低于粗晶,即整体上拥有更好的抗裂韧性．     

纳米孪晶和梯度纳米结构金属强韧特性研究进展

金属材料在航空、航天工业以及民用工业等领域具有广泛的应用,如何获取同时具备高强度和良好塑性的金属材料一直是材料、物理、力学等不同学科长期以来亟待解决的难题.传统的强化方法包括应变强化、固溶强化、相变强化、晶粒细化强化和第二相弥散强化等,均会使材料的韧性或塑性降低.近年来,实验研究发现通过界面设计和微结构调控来可以制备出高强高韧的金属材料,认为位错与各类界面的相互作用、以及微结构优化对应力集中的削弱是材料强化和韧化的主要原因.根据已有实验观察,人们通过原子尺度方法定量分析高强高韧金属材料的变形机理,揭示其强化和韧化机制;同时,发展出基于变形机理的理论模型和有限元方法定量描述高强高韧金属的力学行为.论文将重点介绍纳米孪晶金属和梯度纳米结构金属的强韧特性研究进展,并对新型纳米结构金属材料的强韧特性优化进行展望.     

金属疲劳剩余寿命预测模型的一种探索

利用基于热力学的非线性连续疲劳损伤理论，考虑应力幅带来的非线性累积效应，理论上探索了金属电阻变化率与疲劳寿命的关系。提出了用电阻变化率进行疲劳损伤剩余寿命分析的模型。并通过电阻变化测定实验，验证了理论模型。为金属疲劳剩余寿命的预测提出一种理论模型和新的实践方法。     

A New Fatigue Testing Machine for Investigating the Behavior of Small Shear-Mode Fatigue Cracks

Experimental Techniques - The investigation of the behavior of small shear-mode fatigue cracks in the high-cycle fatigue regime is essential to understand the mechanism of rolling-contact fatigue...     

CrMnFeCoNi高熵合金纳米晶温度相关的拉伸行为研究

高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金.实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性.论文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6.18 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟.模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理.微结构演化分析表明:随着温度的降低,塑性变形阶段滑移系开动的越少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;温度越低,模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的孔洞和断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好.     

磨损加疲劳载荷下的协同疲劳行为

自行研制的摩擦磨损装置与轴向疲劳试验机相互配合,实现GDL-1钢试样在疲劳应力(240~280 MPa)及接触载荷(30 N)作用下摩擦磨损疲劳试验.通过对磨损层厚度的分析,研究试样承受摩擦磨损载荷及拉压疲劳载荷双重作用下的疲劳寿命变化,用SEM扫描电镜观察分析次表层内疲劳裂纹扩展的演变过程,并采用Hertz线弹性理论和Smith接触理论计算分析摩擦表面以下切应力值.结果表明:在磨损疲劳载荷作用下,形变层的流变作用将显著影响疲劳小裂纹扩展方向,渐趋于切应力方向,从而提高试样疲劳寿命.在此基础上,建立了在摩擦磨损疲劳载荷下疲劳裂纹扩展模型.此外,计算可知在距表层深度0.03 mm处切应力最大,0.18 mm以内材料产生塑性变形,导致形变层的形成.     

大发小轿车发动机连杆的疲劳性能研究

本文对大发小轿车发动机连杆进行了疲劳性能测试，发现绝大部分连杆都在压痕根部处断裂，为此对压痕所造成的残余应力进行了测试和研究，提出了提高连杆疲劳性能的措施。本文在循环应力比Ｒ从２．５到—３之间进行了广泛的疲劳试验，并找到包括平均压应力范围等寿命曲线规律，对平均压应力在疲劳中的作用有了进一步认识。     

铜表面纳米Cu—Zn复合层的摩擦磨损特性

采用复合粉末高压成形技术在粗晶铜基体表面成功制备了纳米晶Cu—Zn合金表面层；在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上考察了纳米复合层的摩擦磨损特性；采用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察分析了纳米合金层磨损表面形貌及主要元素的化学状态．结果表明：纳米晶Cu—Zn合金经300℃退火后β相中析出超细α相，使其表现出最佳力学性能和耐磨性能；在载荷60～160N范围内，经300℃退火处理的纳米晶表面层在摩擦过程中形成薄而连续的主要由纳米Cu—Zn、ZnO和Fe2O3等组成的致密复合薄膜，从而使耐磨性能和承载能力大幅度提高；ZnO可以有效地填充摩擦表面膜中的空隙和抑制裂纹的扩展，从而使纳米Cu—Zn合金层保持良好的减摩抗磨性能．     

CFRP-混凝土界面粘结的疲劳性能试验研究

外贴FRP是重要的混凝土结构加固技术,但目前对外贴FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究尚不充分,尤其对FRP-混凝土粘结界面的疲劳退化规律和破坏模式的研究更为缺乏。本文采用双面剪切试件,通过2个静载试件和4个疲劳试件的试验研究,考察了粘结长度和胶层厚度等因素对FRP-混凝土界面粘结疲劳性能的影响。通过分析沿粘结长度的FRP应变分布在疲劳循环过程中和疲劳后静载过程中的变化情况,讨论了不同粘结长度和粘结胶层厚度条件下的粘结界面疲劳退化规律和疲劳后静载性能。试验结果表明:胶层树脂-混凝土粘结界面是发生疲劳剥离破坏的薄弱环节;胶层厚度增大时,由于疲劳引起的界面损伤累积发展显著减小,疲劳后静载中胶层厚度较大试件的粘结承载力也更大;粘结长度增大时,界面粘结呈现更为明显的损伤退化,但由于试验粘结长度小于有效粘结长度,疲劳后的静粘结承载力仍更大。     

含类焊接裂纹十字接头的疲劳特性

为探讨含类焊接裂纹结构的疲劳性能,设计了部分熔透焊接接头的拉一拉疲劳试验,并进行了有限元分析,研究了不同裂纹尺寸下接头的疲劳强度、应力集中系数、应力强度因子范围和疲劳寿命的变化规律.结果表明,当未熔透尺寸2a/T＜0.5时,疲劳性能无明显减弱;而当未熔透尺寸2a/T＞0.5时,则接头的抗疲劳性能显著降低.     

Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析

本文对结构用钢Q345的低周疲劳性能进行了试验研究。试验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机上进行,采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005s-1,应变比为-1。试验结果表明,初始阶段,Q345在高应变幅值(0.6%)循环作用下出现循环硬化效应,而在低应变幅值(0.6%)作用下出现循环软化效应;随着加载应变幅的增加,硬化和软化率呈直线上升趋势。Q345疲劳裂纹萌生阶段占其整个寿命的60%以上,其裂纹萌生寿命与应变幅存在幂函数关系。根据Coffin-Manson公式得到了Q345的应变-寿命关系公式;采用能量预测法得到了材料的塑性应变能与疲劳寿命的关系表达式。上述结果对钢结构的设计、评估具有重要的工程应用参考价值。     

CrMoV合金钢的微动疲劳实验研究

本文利用一种自行设计的微动疲劳实验装置研究CrMoV合金钢的微动疲劳特性。作者研究了接触压力对材料微动疲劳寿命的影响规律,得到了研究条件下CrMoV合金钢的接触压力阈值。当接触压力较小时,微动桥压块与试件表面间有相对滑动,微动疲劳寿命随接触压力的增加快速下降;当接触压力达到或超过阈值62.5MPa时,微动疲劳寿命达到最低值并不再随接触压力的增加而下降。本文给出了CrMoV合金钢在接触压力为225MPa的微动疲劳曲线和零接触压力(纯)疲劳曲线,并给出微动疲劳强度与常规疲劳强度的关系,分析了微动疲劳破坏的微观机理。     

Analysis of Strain Energy Behavior Throughout a Fatigue Process

The dissipation of strain energy density per cycle was analyzed to understand its trend through a fatigue process. The motivation behind this analysis is to improve a fatigue life prediction method, which is based on a strain energy and failure correlation. The correlation states that the same amount of strain energy is dissipated during both monotonic fracture and cyclic fatigue. This means the summation of strain energy density per cycle is equal to the total strain energy density dissipated monotonically. In order to validate this understanding, the strain energy density per cycle was analyzed at several alternating stress levels for fatigue life of Aluminum 6061-T6 (Al 6061-T6) between 10³ and 10⁵ cycles. The analysis includes the following: Alternating between high and low operating frequencies (50x magnitude difference), interruption of cyclic load during testing, and idle/zero-loading intervals of 20–40 minutes in-between cyclic loading sequences. All experimental results show a consistent trend of cyclic softening as the loading cycles approach failure; however, due to an inefficient curve fit procedure of the stress-dependent strain equation at low alternating stresses onto the experimental stress-strain data, a new approach for calculating the strain energy density per cycle is explored and shows promising results.     

缺口试样疲劳短裂纹行为研究

采用复型方法对中碳结构钢单边钝缺口试样的非穿透和穿透疲劳短裂纹的演化过程进行了研究。结果表明：试样的疲劳破坏主要是由形成于缺口根部的表面短裂纹扩展引起的；形成穿透裂纹以前的短裂纹形成和扩展过程占试样疲劳寿命的７０％以上；线弹性断裂力学不适合于描述表面裂纹和穿透裂纹早期阶段的扩展特性；某些条件下，裂纹初始几何形状的影响是导致穿透裂纹早期扩展出现奇异特性的主要原因。     

On Self-Controlling Models in the Theory of Nonelastic Material Behavior of Metals

We discuss here solvability of systems modelling the nonelastic material behavior of metals under the assumption of monotonicity of the constitutive function and of the self-controlling property of the model under consideration. The main idea is to use the conception of coercive limits ([9, 10, 12]) and to prove a suitable convergence result. Examples of self-controlling models are presented at the end of the article. Received November 3, 1997     

苜蓿草粉对金属材料磨损性能的影响

采用正交试验法在磨料磨损试验机上考察了不同粒度苜蓿草粉对45#钢和HT200灰铸铁磨损性能的影响,研究了不同载荷和转速等条件下的磨料磨损行为,采用扫描电子显微镜对其磨损表面形貌进行观察.结果表明:影响材料磨损性能的因素由大到小依次为转速、磨粒粒度和载荷;苜蓿草粉磨粒对金属材料表面的磨损为硬、软磨粒共同作用的结果;45#钢在硬磨料磨损条件下以显微切削为主要磨损机制,在软磨粒磨损条件下以多次塑性变形和低周期疲劳为主要磨损机制;HT200灰铸铁以塑性变形而产生的脆化剥落为主要磨损机制.     

形状记忆合金力学行为与应用综述

本文对形状记忆合金的特性、本构模型及其在不同领域中的应用进行了综述。分析了形状记忆合金材料和力学特性及其在智能结构中的应用。介绍了现有微观、介观和宏观本构模型描述形状记忆合金热力学行为的方法和特点。详细阐述了形状记忆合金在不同领域的应用现状,特别总结了结构优化技术在提升智能结构性能方面的应用,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,并对其在智能结构中的关键技术与未来发展方向进行了探讨。     

载荷偏心对连接件疲劳性能的影响分析

采用有限元法与工程梁理论混合分析方法 ,对偏心载荷作用下的连接件结构进行了细节应力分析 ,确立了其疲劳危险部位。并采用应力严重系数法估算了其疲劳寿命。最后应用模拟结构进行了实验研究 ,结果表明与理论分析吻合良好     

超长寿命热—超声疲劳行为

工作频率在15－30kHz的超声疲劳技术是一种可以获取十亿周级以上超长寿命疲劳数据的可行而有效的方法。试件在高频超声载荷作用下会不可避免地产生摩擦生热。本文在研究球墨铸铁材料的超高周疲劳性能的同时，利用一种非接触红外线自动测温系统对整个实验过程中的试件进行了温度测试，实验表明超长寿命试件的温度变化可由两段组成：①10^7周前的温度徙升及随后的短暂下降；②10^7周后的相对温度平衡稳定。研究还进一步探讨了超长寿命疲劳的温度和频率效应。