锆基非晶合金的动态弛豫机制和高温流变行为

非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形,玻璃转变行为,扩散机制以及晶化行为都至关重要.非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一.本文借助于动态力学分析(DMA),探索了Zr_(50)Cu_(40)Al_(10)块体非晶合金从室温到过冷液相区宽温度范围内的动态力学行为.通过单轴拉伸实验,研究了玻璃转变温度附近的高温流变行为.基于准点缺陷理论(quasi-point defects theory),对两种力学行为的适用性以及宏观力学行为变化过程中微观结构的演化规律进行描述.研究结果表明,准点缺陷理论可以很好地描述非晶合金损耗模量α弛豫的主曲线.基于非晶合金的内耗行为,玻璃转变温度以下原子运动的激活能U_β为0.63 eV.与准点缺陷浓度对应的关联因子χ在玻璃转变温度以下约为0.38,而在玻璃转变温度以上则线性增大.Zr_(50)Cu_(40)Al_(10)块体非晶合金在玻璃转变温度附近,随温度和应变速率的不同而在拉伸实验中显示出均匀的或不均匀的流变行为.非晶合金的高温流变行为不仅可以通过扩展指数函数和自由体积理论来描述,还可以通过基于微剪切畴(shear micro-domains, SMDs)的准点缺陷理论来描述.     

ORIGIN OF HEAT EFFECTS AND SHEAR MODULUS CHANGES OF A Cu-BASED AMORPHOUS ALLOY 1)

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.     

铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.      

基于准点缺陷理论探索非晶合金蠕变机制

作为典型多体相互作用非平衡体系,如何明晰非晶合金多场耦合激励下变形机制,建立非晶合金变形行为、流动特性与微观结构特征本征关联始终是非晶合金力学性能的重要研究内容.本文以具有显著β弛豫行为的La_56.16Ce_14.04Ni_19.8Al₁₀非晶合金作为研究载体,通过开展宽温度应力窗口蠕变实验,着重考查了蠕变柔量、准稳态蠕变速率、特征弛豫时间、蠕变应力指数及蠕变激活能演变规律,系统研究了非晶合金蠕变行为与蠕变机制.基于准点缺陷理论分析了非晶合金蠕变行为由弹性向黏弹性及黏塑性逐步转变的过程,从微观结构演化角度构建了非晶合金蠕变行为完整物理图像.研究结果表明,非晶合金高温蠕变行为是一典型热力耦合、非线性过程,其潜在蠕变机制受控于温度、应力与加载时间.应力较低时,非晶合金蠕变机制对应于热激活单粒子流动.应力较高时,蠕变机制则对应于应力诱导局部剪切变形增强与温度诱导原子扩散等复杂耦合过程.非晶合金蠕变变形过程所涉及弹塑性转变源于非晶合金准点缺陷激活、微剪切畴经热力耦合激励形核长大、扩展与不可逆融合.     

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示, 当规定主应力以压为正时, 沿最大主应力$\sigma_{1}$方向将产生收缩变形, 若中间主应力$\sigma_{2}$和最小主应力$\sigma_{3}$都远小于$\sigma_{1}$, 则沿$\sigma_{2}$和$\sigma_{3}$方向会产生横向扩张变形, 当横向扩张变形达到一定极限时, 将会在平行于$\sigma _{1}$的方向产生张裂破坏. 如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究, 最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏, 但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态. 本文分别用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示最大张应变和次大张应变, 则最大拉应变理论认为当$\varepsilon_{1}$达到单向拉伸屈服应变时, 材料将产生破坏. 而本文将根据$\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}$之和达到极限值$\varepsilon_u$来建立张裂破坏准则. 可以证明$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2}$所表示的是$\sigma_{1}$主平面的面积增长率. 当$\sigma_{3}<\sigma_{2} \ll \sigma_{1}$时, 大部分岩石都具有脆性破坏的特点, 所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料, 这样用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示的强度准则可通过$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示. 在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点, 并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定$\varepsilon_u$. 不管$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$是压应力, 还是拉应力, 或者$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$中有拉有压的情形, 基于$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2} =\varepsilon_u$都可建立相应的强度准则. 所建立的准则可以反映中间应力$\sigma_{2}$对强度的影响规律, 通过建立的强度准则还可以证明: 静水拉力能引起屈服, 而静水压力不能产生屈服; 压缩破坏能使塑性体积增大, 其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形. 并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则, 所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好. 通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果, 可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.      

基于微观结构非均匀性的非晶合金力学行为

非晶合金弛豫/晶化、玻璃转变、塑性变形等热力学和动力学行为都与其固有的结构非均匀性密切相关. 但是, 由于淹没在亚稳的长程无序结构中, 探究非晶合金的结构非均匀性十分困难. 尤其, 非晶合金微观结构非均匀性与其力学性能之间的本征关联是一个亟待解决的重要科学问题. 本文基于多尺度时空下的力学激励阐述非晶合金微观结构非均匀性特征与演化规律. 从实验、理论和数值模拟方面出发, 梳理了非晶合金微观结构非均匀性与弛豫机制和力学行为之间的关联. 最后, 针对非晶合金微观结构非均匀性与其物理/力学性能研究的方向提出了建议和展望.      

16MnR钢缺口试样解理断裂行为研究

研究了低合金热轧钢16MnR缺口试样在$-196\,{^\circ}$C和$-130\,{^\circ}$C的解理断裂机 理. 拉伸试验、单、双缺口四点弯曲实验、断口形貌观察以及有限元分析结果表明, 缺口试 样发生解理断裂时均起裂于夹杂物粒子, 一种位于缺口根部前端(IC型), 另一种位于距缺口 根部较远的条形裂纹前端(SIC型); 且随温度升高, 起裂源的类型从$-196\,{^\circ}$C下的IC 型转变为$-130\,{^\circ}$C下的SIC型. 微裂纹均形核于夹杂物, 最终的断裂由铁素体晶粒尺 寸的微裂纹扩展控制. 缺口试样IC型解理断裂遵循裂纹形核条 件$\varepsilon_{\rm p} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和裂纹扩展条件$\sigma_{yy} \ge \sigma_{f}$, 而SIC型解理断裂条件则演化为$\varepsilon_{\rm p}+\varepsilon_{\rm ps} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和$\sigma_{yy} +\sigma_{yy{\rm s}} \ge \sigma_{f}$.     

基于原子体积场拉普拉斯算子对金属玻璃剪切转变区的预测

剪切转变区(shear transformation zone, STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元, 已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议. 本文采用分子模拟方法对 Cumetallic glasses,shear transformation zones,nonaffine displacements,atomic volume,molecular simulation,1)国家自然科学基金(11790292);国家自然科学基金(11672298);国家自然科学基金(11432014);中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB22040501)2019-12-242020-04-10剪切转变区(shear transformation zone, STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元, 已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议. 本文采用分子模拟方法对 Cu$_{64}$Zr$_{36}$金属玻璃在受简单剪切加载时的变形行为展开了研究. 结果表明,体系的初始构型与加载后STZ的产生是相关的. 虽然原子体积场及其梯度可以用来有效表征金属玻璃中局部原子构型的非均匀性, 但它们与STZ产生的区域没有直接明显的对应关系. 基于此, 提出一个新的局域结构参数 $\xi $ 来用于金属玻璃中STZ产生区域的预测,它由两部分构成: 原子体积场的拉普拉斯算子和体积场梯度分量的绝对差值. 原子体积场的拉普拉斯算子为负且绝对值较大时, 体积场梯度向量呈现向内指的分布特征, 代表体系中的局域软区; 而体积场梯度分量的绝对差值则用于遴选体积场梯度不同的分布模式. 进一步地,建立了该结构参数与非仿射位移和剪切局部化三者关系, 发现特定的体积场梯度向量分布模式, 将导致局部剪切增强的非仿射位移场, 从而更容易诱发STZ的形成. 相关性分析表明,该参数与STZ区域平均相关性高于78%, 因此, 该参数能有效用于金属玻璃剪切转变区的预测,且运用拉普拉斯算子的思想有望应用于金属玻璃力学行为的理论分析.     

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离 ($S^{\ast}$)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数$Re \approx 580 \sim 1100$,无量纲距离$S^{\ast } <2 \sim3$时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当$S^{\ast } >2 \sim3$时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离($x/R$)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数${Re}$、韦伯数${We}$和奥特沃斯数${Eo}$等各无量纲参数的标度规律.      

关于瑞利-李兹方法边界条件的讨论

 在应用瑞利-李兹方法时, 一般教材仅提及假设的挠曲线应满足位移边界条件(挠度$y$与转角$\d y/\d x$), 而没有强调另外两个边界条件$\d^{2}y/\d x^{2}$及$\d^{3}y/\d x^{3}$的重要性. 这两个边界条件经胡克定律可与弯矩及剪力关联起来, 称为力边界条件. 通过例子指出当力边界条件不满足时, 可能造成误差很大. 亦对两个力边界条件的相对重要性作了扼要的讨论.     

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料, 金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣. 金属玻璃结构与性能的关系表明, 金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关. 然而, 宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰. 与传统金属材料不同, 金属玻璃的变形机理非常复杂. 应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段, 从而探索结构和动态非均匀性. 本研究以La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃为模型体系, 在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为. 研究结果表明, 与传统金属玻璃不同, La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃具有明显的β弛豫行为. 基于Kohlarausch-Willams-Watts (KWW)方程的分析表明, 金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程; 热动力学分析发现La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为, 即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为, 向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变. 通过激活能谱模型分析表明, 应力松弛单元的激活并非均匀, 而是存在能量上的起伏, 金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程, 具有动力学不均匀性. 本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联, 为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.      

通过表面机械加工调控Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5非晶合金的结构和韧性

作为一种新型结构材料, 非晶态合金的韧性需要进一步提高. 提高非晶态合金韧性的方法有引入枝晶相、调整其成分改变其泊松比影响其剪切带衍生、裂纹扩展等.本文通过表面机械加工的方法来调控非晶态合金的微观结构及韧性. 我们采用真空电弧熔炼、亚稳态薄板离心浇铸系统制备了Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅ (原子百分比) (Vit105)非晶合金板,并用表面机械研磨处理方法(surface mechanical attrition treatment, SMAT), 在Vit105板上形成纳米尺度局域类晶体序结构. 基于差示扫描量热分析、纳米压痕实验, 我们发现SMAT处理后的Vit105合金板表面附近弛豫焓更低, 微观结构更加均匀、稳定. 通过显微维氏硬度计测试, 发现SMAT处理后样品的表面附近硬度增大,硬度值分布也更均匀. 通过三点弯断裂实验, 可得到SMAT处理后合金板缺口韧度值从70.7 ± 4.7 MPa·m1/2提高到112.8 ± 3.7 MPa·m1/2. SMAT处理后合金板断裂后, 缺口前端剪切带密度比未处理的更大. Vit105合金板韧性的提高源于SMAT处理对剪切带萌生的促进作用. 该研究表明,表面机械加工可以在非晶态合金中形成局域类晶体有序结构, 影响其结构均匀性, 增大其硬度, 促进剪切带萌生, 提高其韧性. 表面机械加工作为一种新型的改变材料性能的手段, 具有广阔的应用前景.      

ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES OF CEMENT CLINKER UNDER DIFFERENT TEMPERATURES BASED ON HERTZIAN INDENTATION METHOD1)

本文通过高温球压法得到各种脆性和准脆性材料的表面压痕应力与应变之间的关系曲线。通过压痕应力-应变曲线的分析既可比较方便地确定出材料的压痕弹性模量、剪切模量和布氏硬度,又可比较不同温度下水泥熟料的变形性能。在不同温度(25 ${^\circ}\!$C$\sim $1400 ${^\circ}\!$C)处理下,球压应力松弛试验载荷松弛,在载荷峰值为100 N时,随着温度的升高,水泥熟料载荷松弛更明显。随着温度从500 ${^\circ}\!$C升高到1400 ${^\circ}\!$C,载荷松弛非常明显,尤其温度高于1200 ${^\circ}\!$C,水泥熟料样品内部的硅酸三钙(Ca$_3$SiO$_5$, 简称C3S)分解以及有部分液相的出现引起的应力松弛现象最为明显,在1275 ${^\circ}\!$C时熟料基本上已经软化,载荷急速松弛,所以认为1275 ${^\circ}\!$C为熟料的脆延转化温度。通过水泥熟料高温球压松弛试验可以确定水泥熟料在二次加热过程中的脆-延转化温度,测定熟料弹性模量和抗压强度急剧变化的温度范围。研究水泥熟料在不同温度下的力学行为和力学特性,探索提高粉磨效率的新途径,实现高温下的低能耗粉碎。     

高温后高强高性能混凝土双轴压力学性能

利用大型静动真三轴试验机,进行了常温20${^\circ}$C以及200${^\circ}$C$\sim $ 600${^\circ}$C\,6个温度等级高温后高强高性能混凝土在7种应力比双轴压应力状态下的强度与变形试验.测得了双轴主压方向的静态强度、峰值应变与应力应变曲线,剖析了温度和应力比对单、双轴压强度与峰值应变发展趋势的影响规律性以及试件破坏形态. 试验结果表明:随温度的升高,高强高性能混凝土的单轴压减摩强度并不一定降低;双轴压强度相对于单轴压强度的提高倍数取决于应力比、不同温度等级后的高强高性能混凝土``脆硬性'. 提出了带有温度和应力比参数的Kupfer-Gerstle破坏准则公式.      

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在工程精度条件下，将套管外挤压力达到稳定的时间与地层介质的松弛 时间联系起来，进而与地层黏度联系起来，建立了一个用测井资料估算地层黏度的公式. 使 用这个公式估算，扶余油田西区地层黏度为$10^{17}$\,Pa$\cdot$s数量级，乾安油 田为$10^{16}$\,Pa$\cdot$s数量级，与岩石试验和地球物理方法得到的地层黏度 范围吻合.     

动态载荷下剪切变形局部化、微结构演化与剪切断裂研究进展

总结和评述了近年来金属与合金变形局部化的形成、微结构演化与剪切断裂方面作者和相关的研究工作成果. 材料包括低碳钢, SS304不锈钢, Fe-15%Ni-15%Cr单晶, Al-Li合金,α-Ti和Ti-6Al-4V, Al/SiCp复合材料等.综述内容主要包括:采用改进的Hopkinson扭杆装置,对剪切变形局部化形成、发展和演化过程进行了实验观察与数值模拟;采用"侧剖"与"对接"等定点方法制备电子显微镜薄膜试样,对剪切带内相变与再结晶、非晶转变、旋涡结构等动态变形现象,以及与宏观动态力学行为对应的位错胞的形成、发展和坍塌等微结构特征进行了观测;提出了应变和应变率同时作为剪切带形成的两个必要条件的直接实验证据;在剪切带内发现了α'$-马氏体相变现象,以及相变产物与母体之间的晶体学关系;通过位错单滑移或交滑移等微观剪切最后发展成为宏观剪切的机制;对剪切带内再结晶结构的观测和对再结晶动力学本构关系的定量描述;对剪切带特别是``白色'腐蚀带(或相变带)的形成机制的分析和新的解释,指出 ``白色'是带内亚结构取向趋于一致,其在光学或扫描显微镜下很难辨认这些亚结构的取向差所致,并非表明剪切带内一定发生了相变;通过截断实验和实时跟踪观测发现,剪切带内微裂纹的萌生与聚合是材料承载能力骤然下降并导致最后断裂的主控因素.此外,本文对近年来在准静态和循环加载下材料的局部化形变与剪切断裂的实验结果予以简要评述,指出其微观机制与动态载荷下的截然不同, 是由位错的平面滑移所控制的,与热效应无关的等温变形.      

New insight into the kinetic behavior of the structural formation process in agar gelation

Experimental investigations based on our custom-built torsion resonator were carried out on the kinetics and relaxation of the structural formation process in three agar–water solutions with agar concentrations of 0.75, 1.0, and 2.0 % w/w under natural cooling. An interesting temperature-dependent oscillatory decaying behavior of the structure development rate (SDR) in the agar gelation process is observed. This oscillatory SDR-decaying behavior is indicative of a sum of multiple SDR-determining relaxation processes and could be quantitatively described by a multiple-order Gaussian-like equation, i.e., $dG^{\prime }/dt\equiv \sum \nolimits _{n=0}^{m}{dG^{\prime }/dt}^{(n)}=\sum \nolimits _{n=0}^{m}K_{n}{\rm exp}[-2(T-T_{n})^{2}/W_{n}^{2}]$ . The ${\rm T}_{n}$ dependences of ${\rm W}_{n}$ in the gelation zone were also found to follow the Arrhenius law with activation energies of 39–74 kJ/mol for three investigated samples, indicating the important role of formation or fission of the hydrogen bonding interaction playing in the agar structural network formation. These findings provide insights into the mechanical properties and distinctive structure development rates of agar sols that dynamically and naturally evolve to form gels.