用于形状记忆材料研究的中子衍射原位温度加载系统

配合中国工程物理研究院的中子衍射应力谱仪开展形状记忆材料的相关研究,设计了一套原位温度加载系统。该系统可为测量样品提供25~800℃温度环境,温度控制器采用大林改进算法,有效地消除了温度过冲问题。该系统已开展了多次带束测试,结果表明其结构设计适用于中子衍射实验,温度控制在上升阶段无超调、稳态误差为±1℃,满足形状记忆材料的温度加载实验要求。     

中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪尖嘴型中子准直光阑的研制

中国散裂中子源（CSNS）工程材料中子衍射谱仪（EMD）的样品非常大,且形状各异,有些样品甚至是曲面的,中子准直光阑（狭缝）要靠近这些异形构件,需要设计成尖嘴型。狭缝的主要作用是给样品测试提供所需要的束流尺寸,并保证束流尺寸精度很高,束流没有太多杂散中子。工程材料中子衍射谱仪的尖嘴型狭缝为连续型,开口可以根据实验需求进行变化。狭缝采用双导轨结构,定位精度高,重复定位精度优于10μm,绝对定位精度优于30μm。狭缝刀片采用富集碳化硼,较大程度减小了刀片的厚度,可以有效降低狭缝悬臂结构的变形量,保证狭缝有足够长度的尖嘴,能够接近异形构件,特别能够深入到长管内部,提高了工程材料中子衍射谱仪的实验能力。狭缝采取双重安全设计：导轨互换系统和防撞结构,可以有效防止狭缝在使用过程中被大件样品撞坏。该狭缝已经应用到中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪的实验测试,为残余应力测量做出了重要贡献,它的应用为国内外尖嘴型狭缝的设计提供了非常重要的参考。     

原位中子衍射研究两相NiTi合金的微力学相互作用和相变机理

NiTi合金的形状记忆效应与其微观结构特征密切相关,中子衍射技术可以在力学加载过程中原位观察块体NiTi合金的相变、晶间应变以及孪晶再取向等演化特征．结合两相NiTi合金宏观应力一应变曲线呈现的四种阶段性变形特征,利用原位中子衍射技术对其变形过程中的微观结构演化进行了分析．奥氏体初始体积份额约22％,在低应变硬化阶段,晶面（110）B2和（002）B19,的应变分别突然减小和增大表明出现了应力诱发马氏体相变,奥氏体体积份额迅速减小,产生了（011）II型孪晶;同时初始马氏体也开始发生再取向,随着应变量的增加,开始出现新的{20i}型马氏体孪晶,这种孪晶引起的应变卸载时不能回复．在高应变硬化阶段孪晶变形起主导作用,衍射峰半高宽变化较小;而在应变硬化饱和阶段则以滑移机制为主,大量位错的产生使衍射峰半高宽显著增加．     

中子衍射法研究单晶镍基高温合金热机械疲劳引起的应力和晶格错配

采用中子衍射法对热机械疲劳后的单晶镍基高温合金样品内部中心点进行了实验测量,数据处理采用了双相叠加峰和单峰分析两种方法,计算得到了样品材料的宏观等效应力、应力偏量、γ相和γ′相的等效应力和晶格错配度等.实验结果表明,两种分析方法得到的宏观等效应力基本一致.在热机械疲劳循环100周出现最大宏观等效应力和应力偏量,此时位错等微缺陷达到饱和,偏离中心点处γ′相应力减小显著;在热机械疲劳开始阶段负错配度明显减小,随循环周次增多基体塑性应变累积又使负错配度以每次81×10^-6的速度逐渐线形增大. 关键词： 中子衍射 单晶高温合金 等效应力 应力偏量     

PBX材料宏细观断裂行为的数字散斑相关法实验研究

 采用半圆盘弯曲实验和数字散斑相关方法,对高聚物粘结炸药（PBX）的宏、细观断裂行为进行了实验研究。宏观上,带有预制裂纹的半圆盘试样发生拉伸破坏,利用数字散斑相关技术得到了试样的应变场和位移矢量场分布,定量分析了试样全场的变形特征,并测得了PBX材料的平面应变断裂韧性;细观上,用配有加载装置的扫描电子显微镜对含预制裂纹的半圆盘试样间接拉伸下的损伤演化和破坏过程进行了实时原位观察,借助于数字散斑相关方法,定量分析了试样损伤局部化特征。结果表明,将数字散斑相关方法用于研究PBX材料宏、细观尺度上的变形破坏问题是有效的。     

英国散裂中子源工程材料原位加载衍射实验高温样品环境优化设计

英国散裂中子源(ISIS)在工程材料中子衍射领域有着十余年丰富的研究经验,最为典型的衍射谱仪之一的Engin-X在材料、加工等方向有着广泛应用,包括残余应力分布测量、金属相变分析、微观力学研究等.Engin-X通过设置红外加热型高温炉配套材料试验机的样品环境以实现中子衍射原位高温力学实验,目前原位实验中高温炉最高设计温度可达1100℃.通过优化高温炉反射罩形状、布局、反射涂层,以及合理设置反射挡板等措施(例如采用一种椭圆-圆组合形状的反射罩),可实现更优的光线聚焦效果.模拟计算得知样品的能量吸收可提高109%以上,最终高温可达1400℃.相关研究有望拓展Engin-X中子衍射技术在材料研究领域的应用,同时也为中国散裂中子源(CSNS)工程材料衍射谱仪样品环境设计提供借鉴经验.     

聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究

为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置对聚氯乙烯(PVC)弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s~(-1)及400～1 850 s~(-1)下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明:PVC弹性体在准静态(0.1 s~(-1))拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态(400～1 850 s~(-1))拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐(ZWT)非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。     

超导材料轴向应变性能测试平台设计

为超导材料临界电流与应力-应变测试提供稳定可靠的测试系统,使用实验室现有的超导材料拉伸装置SUPUM (Superconductor Under Mechanical-Stress)、1.2 kA直流电源、Keithley 2182纳伏表等设备,开发了一套基于Labview的超导材料轴向应力-应变与临界性能测试平台。上位机测试软件采用多线程、动态调用等方法,对伺服电机运动控制、直流电源升流控制、实时数据采集三个模块进行灵活调用,方便了实验操作。实验表明,此系统数据采集与控制过程稳定可靠,实时性好,满足超导材料轴向应力-应变与临界电流测试要求。     

中子散射:理解工程材料的必要工具

在工程材料领域,建立材料内部微结构与宏观性能之间的关系是极具挑战的课题。中子是目前唯一真正意义上的体探针,它能无损地获取材料内部微结构与三维内应力分布。中子衍射应力分析与小角散射技术在工程领域极具应用价值,文章简述了这两种技术的现状、应用与发展趋势。未来将全面建成的中子散射科学装置必将为中国多学科领域用户提供创新平台,并为国家的重要工程领域持续发挥基础作用。     

基于大型激光装置的材料塑性变形行为微介观研究进展

微介观尺度下材料结构的实时演化行为是决定其动态力学性能的关键因素。大型激光装置作为集加载和诊断能力为一体的综合实验平台,为高温、高压、高应变率等极端条件下材料动态力学性能的微介观尺度研究提供了重要支撑。随着激光功率密度和脉冲整形能力的不断提升,实验所能探索的压力（101～103 GPa）及应变率（106～1010 s?1）范围不断突破;而利用激光打靶产生的高亮X射线脉冲作为探测源,建立动态衍射和成像技术,可以实现高空间和时间分辨率下材料塑性变形机制的实时原位研究。简要介绍了基于大型激光装置的原位微介观实验技术及其在材料塑性变形行为研究中的应用,系统梳理了近二十年来具有代表性的研究成果,阐明了相关研究对推动材料动态响应多尺度物理建模的重要价值。     

基于耗散孤子种子的啁啾脉冲光纤放大系统输出特性

以不同滤波器带宽下获得的全正色散光纤激光器耗散孤子作为啁啾脉冲放大(CPA)系统的种子脉冲, 研究了光栅对和光纤展宽器CPA系统输出脉冲的可压缩性. 结果表明, 对于大能量耗散孤子种子脉冲, 当CPA系统采用正色散光纤展宽器时, 光纤群速色散与自相位调制之间的相互作用不仅可抑制耗散孤子脉冲光谱调制的影响, 还可使脉冲在光纤展宽器中自相似演化, 从而可提高CPA输出脉冲的可压缩性. 通过优化光纤展宽器长度, 对于耗散孤子种子源, 采用光纤展宽器的CPA系统输出脉冲可压缩性与主脉冲所占脉冲总能量之比均优于采用光栅对展宽器时的情况.     

超声双折射法测试铝合金的内部应力

声各向同性的金属材料在应力作用下表现出声各向异性,这是用声弹性法分析材料内部应力的基础。本文用偏振方向平行或垂直于应力方向的超声纯横波对LY11型铝合金进行测试。实验结果表明:材料在拉、压单轴应力作用下,偏振方向平行和垂直于应力方向的超声纯横波的声速都发生了变化。实验在分析材料声各向异性的基础上计算材料声弹性双折射系数,得到测试LY11型铝合金内部应力的理论公式,并对其内部的残余应力进行评估。实验中利用双换能器回振法测量声速,时间测试精确度可达10^-11s,可精确测量声速的微小变化量。     

Internal stress measurement by laser feedback method

Internal stress in material detracts from its usefulness. In this Letter, a stress measurement instrument is reported. The instrument principle is based on a laser feedback effect where the polarization state of the laser with an anisotropic feedback cavity will flip between two orthogonal directions, while the feedback mirror is tuned by piezoelectric transducer sawtooth voltage. The position of polarization flipping in one period on curves reflects the birefringence or material internal stress of the feedback cavity. Hence, when a piece of internal stress material is placed in a feedback cavity, its internal stress can be measured by the polarization flipping position. The internal stress of the vacuum tube, Nd:YAG crystal, and GaN semiconductor are measured, which proved this instrument has very high precision.     

用于OPCPA高展宽比的展宽器

 根据öffner展宽器的原理和设计,进行了光学参量啁啾脉冲放大系统中信号光脉冲展宽的实验研究。通过数值方法,合理地选择了展宽器光学元件的各项参数,即光栅常数为1 800 (102 mm×102 mm),凹面镜曲率半径为1 000 mm,凸面镜与凹面镜之间的距离为653 mm,信号光入射角为51.05°。实验结果表明,优化后的öffner展宽器可以将脉宽为30 fs的信号光脉冲展宽到545 ps, 展宽比为18 167,满足OPCPA放大的需要。     

Acousto-elastic measurement of stress and stress intensity factors around crack tips

Acousto-elasticity predicts that the phase velocity of sound waves in a material will be changed slightly by stress. For a slightly orthotropic plate in a state of plane stress, the shear stress σ_xy can be calculated from $\text{σ}{}_{\mathrm{xy}}\text{=}\text{(B}\text{sin}\text{2 φ)}\text{2m}$ once measurements of the acoustic birefringence B and the angle φ have been made. The birefringence is the difference in phase velocity between SH waves polarized along the ‘fast’ and ‘slow’ acoustic axes, φ is the angle between the acoustic axes in stressed and unstressed state, and m is an acousto-elastic constant for the material.For symmetrical, two-dimensional crack-opening problems, σ_xy can be expressed as a series expansion of stress functions, each of which satisfies the equilibrium equation. The coefficients in the expansion allow the appropriate boundary conditions to be satisfied. The stress intensity factor K₁ is the coefficient of the leading term in the series.Values of σ_xy and K₁ for an ASTM standard test specimen made of 2024 aluminium were acousto-elastically determined. These were compared with those obtained from a similar photoelastic specimen. Good agreement was obtained for both σ_xy and K₁.     

展宽压缩器的谱透过率对短脉冲时间特性的影响

为了考察短脉冲激光装置中展宽压缩器的谱透过率对输出脉冲时间特性的影响,通过解析推导得到了激光脉冲通过平行光栅对的谱透过率表达式。结果表明:谱透过率不仅与光栅尺寸及光栅线密度有关,还与光束口径、入射角、光栅间距等参数有关;通常情况下展宽器的截止带通较小,对脉冲的信噪比有较大的影响;而压缩器中由于光束口径很大,有很宽的渐变透过率带通,对压缩后的脉宽及信噪比有利。目前常见的短脉冲激光系统中,限制输出脉冲信噪比的往往是展宽器而非压缩器。     

The influence of pulse duration on the stress levels in ablation of ceramics: A finite element study

We present a finite element model to investigate the dynamic thermal and mechanical response of ceramic materials to pulsed infrared radiation. The model was applied to the specific problem of determining the influence of the pulse duration on the stress levels reached in human dental enamel irradiated by a CO₂ laser at 10.6 μm with pulse durations between 0.1 and 100 μs and sub-ablative fluence. Our results indicate that short pulses with durations much larger than the characteristic acoustic relaxation time of the material can still cause high stress transients at the irradiated site, and indicate that pulse durations of the order of 10 μs may be more adequate both for enamel surface modification and for ablation than pulse durations up to 1 μs. The model presented here can easily be modified to investigate the dynamic response of ceramic materials to mid-infrared radiation and help determine optimal pulse durations for specific procedures.     

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控

窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料.本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层,将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试,在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应.对填充因子与磁场倒数进行线性拟合,获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为ns=1.25×10^16m^-2.在不同磁场下,利用压电陶瓷对样品进行应力调控,观测到具有不同特征的现象,分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道.零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变;而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.     

飞秒脉冲放大器中色散的计算和评价方法

用光线追迹法论证了光栅球面镜系统与普通的光栅对系统是一对相位共轭元件,并提出了光栅球面镜系统色散的解析计算公式,以及对一个典型的放大系统做了模拟.模拟结果表明,对于一个放大系统,存在一个最佳的材料色散,用它可以获得最大的无色散带宽. 关键词： 飞秒激光放大器 展宽器 压缩器 色散补偿     

Residual stress determination in aluminium using electromagnetic acoustic transducers

The residual stresses in a shrink-fit specimen were measured ultrasonically, using shear-horizonal (SH) waves transmitted and received by noncontacting electromagnetic acoustic transducers. The presence of stress induces a small change in the velocity of the SH-waves. The difference in velocities of orthogonally polarized SH-waves (acoustic birefringence) was measured with a simple time-interval averaging system; this velocity difference can be related to the difference of principal stresses. The presence of material anisotropy (texture) in the specimen also causes relative velocity changes comparable to stress-induced changes. A simple method was used to remove the anisotropy-dependent component of the total relative velocity change, thereby allowing a determination of residual stress. This method consisted of measuring the birefringence in unstressed reference specimens and subtracting it from the birefringence measured at stressed locations. For the specimen used here, good agreement between theoretical and experimental values of stress was obtained.