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     

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...     

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,故本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。     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引人稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题.辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化.论文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Fra...     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性,是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是,钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为,比如,屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性,断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应,等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化,形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化,揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应,从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果;最后,对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

石墨烯辐照损伤及力学性能研究

石墨烯的加工和掺杂是其工程应用和性能开发的重要手段,离子辐照技术是实现上述目的的有效途径.利用分子动力学方法建立了硅离子辐照石墨烯和辐照后拉伸的数值模型.考虑辐照剂量、辐照能量和辐照角度这3个主要影响因素,研究了不同辐照条件下石墨烯的缺陷类型和数量,并分析了在辐照剂量影响下的拉伸破坏.结果表明：当辐照能量较小时,入射粒子会吸附在石墨烯表面.随着辐照能量的增大,入射粒子会穿透石墨烯而形成缺陷,当辐照能量到达一定值时,再无吸附原子.随着辐照剂量的增加,溅射原子和缺陷数目均增多,且缺陷类型以空位缺陷为主,其拉伸力学性能随着缺陷数量的增加而减小,二者近似成线性关系.辐照后石墨烯的拉伸破坏机理与完美石墨烯的有所不同,应力强化阶段明显缩短,缺陷带决定其起裂位置和断裂走向.     

高熵合金辐照硬化与力学性能研究

高熵合金由于多主元元素混合引起高熵结构效应,使其具有优异的物理、力学和化学特性,如高强度、高耐磨性、高耐蚀性、热稳定性、优异的抗辐照性能等.然而,辐照诱发高熵合金材料的硬化行为和力学性能预测仍缺少相关研究,严重地限制了对其长期服役后材料性能的评估.基于晶体塑性理论结合实验结果,研究了空洞形状依赖的硬化行为、位错环诱发的...     

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.      

Applied Problems in the Mechanics of Strain Hardening of Structural Metallic Materials

Some applied problems of the mechanics of strain-hardening processes in metallic materials are considered. To solve these problems, the concept of loading surface, which separates the elastic and elastoplastic domains in the stress space, is used. Strain-hardening models are analyzed. For a wide range of steels and alloys, the most commonly used hypothesis of isotropic-and-kinematic hardening is experimentally justified __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 41, No. 10, pp. 12–51, October 2005.     

基于分形的泡沫金属细观结构与尺寸效应研究

提出采用分形理论对泡沫金属的细观结构及尺寸效应进行研究的方法. 针对一系列具有不同相对密度和细观结构的泡沫铝,证明了其细观结构在一定尺度内符合分形特征,比较了小岛分维、计盒分维和信息分维等算法对泡沫金属分形表征的适用性,分析了细观结构特征对分维的影响. 结合推广的Sierpinski垫片模型研究了泡沫铝的屈服强度与分维的联系,建立了泡沫铝屈服强度的尺寸效应模型. 研究结果表明,由于引入了表征细观结构特征的分形维数,该模型除能表征屈服强度随试样尺寸的变化规律外,还在一定程度上直接反映了泡沫金属细观结构特征对力学性能的影响.      

六边形蜂窝等效面外剪切模量预测及其尺寸效应

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G13相对于材料体分比ν、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G-A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性. 结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果. 此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.     

颗粒介质结构与力学特征研究综述

颗粒介质由大量离散的粗颗粒聚集而成,如自然界中的粗砂和碎屑堆积体等. 在工程实践中,人们依据经验和实验数据建立了许多模型,虽然可以满意地描述某些力学现象,但是对颗粒介质力学性质全貌的认识以及颗粒介质物理本质的理解仍远远不够. 颗粒介质长程无序、短程有序的结构和复杂的能量转化过程,注定了其独特的力学性质. 该文综述了颗粒介质结构探测和表征技术、热力学理论和固态-流态转变方面的新进展,特别介绍了清华大学近5 年来开展的颗粒介质结构模型化方法和双颗粒温度热力学理论. 最后,提出了开展结构分析-热力学理论的联合研究思路,以期更加深入认识颗粒介质的力学特性,探究颗粒介质的热力学根源,改善现有唯象研究现状.     

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用.轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障.高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料.这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料.本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势.     

复合功能布的动态力学性能及本构关系

针对复合功能布的物理特性,利用材料试验机和分离式Hopkinson压杆装置,展开了准静态和动态条件下单层和双层复合功能布材料的单轴抗压实验,获得了两种材料在不同应变率下的应力应变曲线和材料的失效应力、应变.实验结果表明:复合功能布的动态失效强度明显高于准静态失效强度,而且随着应变率的增加其动态失效强度呈现增加的趋势,即该材料具有明显的应变率硬化效应.对应力应变曲线进行拟合,给出了材料的动静态粘弹性本构关系.并对复合功能布在不同应变率下的失效应变及材料的损伤结果进行了初步的分析.     

冻土动态力学性能的实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)对4种低温下的冻土进行了4种高应变率的动态压缩实验. 实验结果表明：冻土不仅具有温度效应,还具有应变率效应,两种效应反映出冻土材料的时温等效性. 另外这种时温等效性在分析冻土材料的破坏过程时还体现在它的冻脆性和动脆性. 冻土材料动态应力应变曲线的汇聚现象和振荡现象均起源于这种冻脆性和动脆性.     

沉管隧道接头非线性力学性能模拟方法

沉管隧道柔性接头的力学性能是其抗震设计的关键准则. 用有限元方法模拟接头的非线性力学性能需要解决接头处材料非线性和接触非线性两个问题. 为简化分析计算,该文采用分段线性化的方法表征接头的材料非线性问题,引进调整因子改进接触算法中的判断条件,处理接头的边界非线性问题. 通过沉管隧道接头的三维精细化建模,研究了沉管隧道接头在拟静力载荷下的响应,获得了接头的轴向等效刚度曲线、抗弯刚度曲线和非线性耦合的剪切特性曲线,进而分析了不同轴向压力对接头剪切特性的影响.     

循环荷载作用下金属玻璃的硬化行为研究

本文采用分子动力学模拟方法研究二元Cu-Zr金属玻璃在循环荷载作用下的力学行为,并通过荷载-位移曲线、Voronoi指数、局部剪切应变等多种方式分析了不同合金比例和不同加载速率下的硬化行为.结果表明,Cu-Zr金属玻璃的屈服能力随Cu含量的增加而增加,主要是由于Cu含量高的金属玻璃有着更多的短程有序结构.四种不同比例的金属玻璃经过循环荷载诱导后,大深度压痕下的平均硬度比单次压痕下的平均硬度分别增加了 1.86％～3.17％.循环过程中剪切带的产生和累积,以及压头下方区域的平均原子体积减少,使得结构更加紧密,从而可以抵抗进一步的变形,这是导致硬化行为的主要因素.采用不同加载速率对Cu50Zr50金属玻璃进行单次压痕和循环压痕,加载速率越高,金属玻璃的平均硬度越高,硬化效应也越明显.