非晶合金理想裂纹预制方法及其在小试样KIc测试中的应用

介绍了一种简单、低成本且可靠的方法在非晶合金中预制理想裂纹并应用于小试样平面应变断裂韧性的测试.近年来,非晶合金由于高弹性、高强度、耐磨及软磁性等优异性能展示了广泛的应用前景.断裂韧性作为材料工程应用的一个重要指标,也引起了非晶合金领域的广泛关注.然而,由于非晶合金的亚稳态结构以及最大可铸造尺寸的限制,目前关于非晶合金断裂韧性的测试还存在较大的挑战.一方面,铸造工艺造成的非晶合金热历史的差异、内部微孔洞和杂质等缺陷以及裂纹预制方式等都会显著影响其断裂韧性测试的可靠性;另一方面,非晶合金可铸造尺寸的限制使得目前绝大多数报导的断裂韧性值都是非平面应变的断裂韧性,导致即使是对于同种非晶合金,所报导的断裂韧性值也存在较大偏差.本文利用非晶合金在过冷液相温度下具有可热塑性成型的特性,对预制有缺口的非晶合金试样进行局部压缩成型,使得预制的缺口裂纹重新闭合形成类似疲劳裂纹的理想裂纹面.基于该方法对Zr基非晶合金进行断裂韧性测试,实验结果表明,随着试样厚度的增加,测试值迅速降低并趋向于一个定值.需要指出的是,通过设计实验使得试样在理想裂纹面区域形成局部凹陷,使得趋于定值的试样厚度远小于平面应变断裂韧性测试标准中的试样厚度要求.     

非晶合金剪切带动力学行为研究

剪切带是一种材料塑性变形高度局域化的变形模式,广泛存在于非晶体系的形变中,控制着这些无序体系失稳、灾难性断裂行为.传统的非晶体系如岩石,胶体,玻璃和聚合物等因较差的力学性能以及过于复杂的结构而不利于剪切带的实验研究.近几十年来,非晶合金的出现极大丰富了剪切带的研究,推进了对剪切带的认识.通过大量非晶合金中剪切带的实验和理论研究,人们发现剪切带行为具有空间不均匀性和时间不连续性的特征,表现出复杂的动力学特征,和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.同时,剪切带的性质尤其是其动力学行为对非晶合金的宏观力学行为和性能有重要的影响,对理解这类材料的微观变形机理也起着重要的作用.本文结合团队近年来在非晶合金剪切带行为方面的研究结果,对剪切带的运动行为和物理机制进行介绍,包剪切带间歇性运动行为、以及间歇性运动在表征其动力学性质中的作用以及物理机制,以及剪切带的自组织临界行为、物理机制等.最后对非晶合金剪切带行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.     

低约束试件断裂韧性测试方法研究进展 1)

低约束试件断裂韧性测试对油气管道安全运营具有重要意义。本文回顾了低约束试件断裂韧性测试方法及发展过程,介绍了裂纹尖端张开位 移(crack tip opening displacement, CTOD)和J积分等常用断裂韧性表征参数,并对断裂韧性测试中应力强度因子、J积分塑性因子、J积分与CTOD转换因子、裂纹尺寸测量方法、数 字图像相关方法等关键问题进行对比分析,总结需要深入研究的问题,为低约束试件断裂韧性测试发展提供一定依据。     

RESEARCH PROGRESS OF FRACTURE TOUGHNESS TEST METHOD FOR LOW CONSTRAINT SPECIMENS 1)

低约束试件断裂韧性测试对油气管道安全运营具有重要意义。本文回顾了低约束试件断裂韧性测试方法及发展过程,介绍了裂纹尖端张开位 移(crack tip opening displacement, CTOD)和J积分等常用断裂韧性表征参数,并对断裂韧性测试中应力强度因子、J积分塑性因子、J积分与CTOD转换因子、裂纹尺寸测量方法、数 字图像相关方法等关键问题进行对比分析,总结需要深入研究的问题,为低约束试件断裂韧性测试发展提供一定依据。     

基于CTOD/CTOA管道钢断裂韧性测试方法研究进展

高级别管线钢的一大特点是韧度高,导致管材裂纹尖端周围经常处于大范围屈服状态,现有基于高约束试件的断裂韧性测试方法,很难满足新型管材的断裂韧性测试要求. 本文回顾了基于CTOD 和CTOA的断裂韧度参数,详细介绍了管道钢断裂韧性测试方法的研究现状和发展趋势,分析了影响管道钢断裂韧性测试准确性的各种因素,为管道钢断裂韧性的测试提供帮助.     

基于微米力学实验的页岩I型断裂韧度表征

页岩断裂韧度($K_{IC})$是页岩气储层水力压裂设计的基础参数之一,由于组成的非均质性,常规宏观力学测量方法存在制样困难、力学解释参数不连续、精度偏低等问题. 如何及时获取页岩的断裂特性,确保安全高效的工程施工,是当前面临的一大问题. 因此,提出了基于微米力学实验的页岩Ⅰ型断裂韧度分析方法,可用于页岩微裂纹起裂、发育直至形成宏观裂纹的机理研究,进行页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测. 基于页岩多尺度组成分析,开展了维氏压头和玻氏压头的页岩微米力学实验,分析了页岩残余压痕与压头间的相似关系、有效测试载荷以及压头参数的优化与选择. 分析了不同压入载荷下的页岩细观断裂韧度分布特征,开展了宏观巴西圆盘实验,验证页岩微米力学测试方法的适用性. 研究结果表明,在有效载荷范围内的页岩细观Ⅰ型断裂韧度波动性较小,当压入载荷过大时,由于岩样压痕区域出现局部剥落导致断裂韧度测量值偏小. 与宏观实验的比对分析显示,微米力学实验的$K_{IC}$平均值为0.86 MPa$\cdot \sqrt{m}$,直槽切缝巴西圆盘实验得到的$K_{IC}$平均值为0.92 MPa$\cdot \sqrt{m}$,两类方法的统计平均值较为接近,页岩局部组成的非均质性使得微米力学测量结果较宏观测试更为分散. 研究结果可用于页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测,为有效解决页岩气储层水力压裂参数评价提供新的思路和方法.      

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Cu64Zr36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ξ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...     

预压下锆基块体非晶合金的热冲击变形与破坏

实验研究了不同预压载荷与加热速率下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9块体非晶合金的失效温度和破坏规律, 发现预压力和温升率较低时, 随着温度的升高, 材料强度减小, 样品最后发生塑性变形; 预压力和温升率较高时样品则发生剪切断裂, 且发生剪切破坏时样品的温度高于其玻璃化转变温度.基于变温条件下的结构弛豫模型, 分析了块体非晶合金在快速加热条件下的变形过程,给出了材料发生屈服时的温度与温升率、预压力与屈服温度之间的相互关系, 并得出了实验结果的拟合关系式. 对回收样品断裂面进行分析, 发现了与恒温压缩断裂明显不同的断裂特征. 最后分析了预压载荷下快速加热过程中上述材料发生剪切破坏的临界条件.      

带微裂纹物体的有效断裂韧性

按照等效介质的思想，引进有效表面能密度的概念，建立了带微裂纹物体有效断裂韧性的公式．具体计算了微裂纹群分别平行和垂直于宏观裂纹两种情况的减韧比．表明微裂纹群在产生应力屏蔽（或反屏蔽）效应的同时，也降低了材料的有效断裂韧性，减小了对宏观裂纹的扩展阻力．     

一种弹塑性材料动态起裂韧度的J表征和测试方法

在数值计算的基础上提出了一个弹塑性材料动态起裂韧度的J表征和测试方法.这一方法利用自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置,对周边切口的短圆柱试件实施基于一维试验原理的弹塑性材料动态断裂试验;利用试件两端的平均载荷-相对位移曲线(-δ)或平均载荷-裂纹张开位移曲线(-Δ),推广Rice远场公式获得动态J积分;采用柔度变化率法确定裂纹起裂点,从而得到动态起裂韧度JID.这一方法的优点在于利用-δ或-Δ曲线将外力对试件所做的与裂纹运动无关的质心惯性运动动能近似地从总能量中分离出来,且平均载荷在起裂前以至失稳扩展前是单调增的,同时试验获得的-δ和-Δ曲线光滑,这使得用J积分作为裂纹尖端的表征参量以及用柔度变化率法确定起裂点和失稳点具有坚实的物理基础.     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.