功能梯度材料断裂行为实验研究

功能梯度材料作为一种新型材料在众多领域中有着重要的应用价值,其断裂问题是固体力学与材料科学共同关注的课题. 目前,功能梯度材料断裂力学研究工作主要集中在理论分析和数值模拟两方面,实验研究相对较少,其中的大部分实验工作只关注功能梯度材料的宏观断裂性能,而缺乏对其微观断裂机理的研究.本文对近10年来功能梯度材料断裂行为的实验研究的进展予以介绍和评述.首先介绍了可应用于功能梯度材料断裂行为研究的实验方法,然后介绍了相关实验工作的进展和取得的成果,最后分析了实验工作的不足之处,从实验研究角度提出了下一阶段功能梯度材料断裂行为的研究重点.      

Ⅲ型扩展裂纹的JR曲线及其应用

1、引言在各种工程结构的韧性断裂分析中,J_R曲线在预测裂纹扩展失稳点及确定材料的抗断裂性能等方面起了十分重要的作用.然而,确定材料的J_R曲线通常要求进行大量细致的试验工作,耗资费时.为了有效地确定J_R曲线,在对裂纹尖端场的渐近分析取得进展的     

蠕变断裂应力强度因子及其应用

近十年,蠕变断裂的研究取得了一定进展,但不明确的地方还很多,现在甚至对控制裂纹扩展的力学参数还有争论。本文以图1所示三元力学模型描述蠕变裂纹体的应力-应变关系,并在裂纹沿原裂纹面扩展的前提下引入了“蠕变断裂应力强度因子”的概念,从而使问题简化。     

脆性断裂的微观机理和非平衡统计特性

Ⅰ.引言如何才能将断裂的微观机理与宏观特性结合起来,把断裂理论建立于微裂纹演化的微观动力学基础上,从而统一导出所有重要的宏观力学量并以某些更基本的物理量表示之?这是人们为实现材料的强度和韧性设计必需解决的一个重要理论课题。就脆性断裂来说,尽管现有几个主要代表性的理论如断裂力学理论、位错理论和统计理论都各取得一定成就,但就其理论框架来说,由于明显的局限性,却难以发展成可供指导设计的理论。因此,人们在探索微观与宏观相结合的断裂理论。最近的工作表明:从微裂纹演      

三点弯曲型试件Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的数值与实验研究

三点弯曲试件常被用来研究材料的纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能。使用Abaqus软件通过有限元法获得三点弯曲试件不同跨长比2S/L、相对裂纹长度a和裂纹倾角β下的Ⅰ型与Ⅱ型无量纲应力强度因子。由有限元结果可知,在相对裂纹长度一定时,跨长比越小,裂纹倾角越小,Ⅰ型无量纲应力强度因子可取得0,即越容易得到纯Ⅱ型断裂。当跨长比相同时,相对裂纹长度越大越容易得到纯Ⅱ型断裂。使用6组共24个三点弯曲试件,研究砂岩的纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及复合型加载时的断裂韧度,得到该种砂岩的纯Ⅰ型断裂韧度为0.786MPa·m0.5,纯Ⅱ型断裂韧度为0.344MPa·m0.5。实验结果与最大周向应力(MTS)准则和广义最大周向应力(GMTS)准则的预测结果进行对比,比较结果显示GMTS准则更能准确地预测实验结果。     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

基于线法的U形切口混凝土梁断裂参数研究

混凝土的断裂韧度是重要的材料参数,本文利用含U形切口的三点弯曲梁试验结合临界距离线法来获得混凝土的断裂韧度.理论推导了含断裂韧度与不同根部半径的断裂失效方程,采用有限元法计算了切口应力集中系数.根据断裂失效方程和试验中的材料几何参数,利用最小二乘法拟合计算得到混凝土材料的断裂韧度和抗拉强度.对小切口半径情形,采用双K断裂准则分析计算了混凝土起裂韧度和失稳断裂韧度,分析结果表明:临界距离线法得到的材料断裂韧度与双K断裂准则中的失稳断裂韧度吻合,同时获得相应临界距离值.     

木材Ⅰ/Ⅱ复合型断裂破坏研究进展

复合型应力状态是木材断裂破坏的主要受力模式,本文从复合断裂模型和试验方法两个方面回顾了木材复合断裂研究的发展历程.在介绍了木材复合断裂的经验模型和物理模型后,通过一组试验数据进行了这些断裂模型的比较,总结了各自的特点.同时,总结了确定这些模型而进行的各类试验方法,主要是Ⅰ/Ⅱ复合断裂模式,即断裂模式Ⅰ和断裂模式Ⅱ均存在的情况.最后阐述了木材复合断裂研究中的一些问题,并对今后的研究方向提出了建议.     

节理岩体断裂的损伤与分形效应

本文在岩石断裂的基础上,利用损伤的概念,建立起岩体断裂能与初始损伤的关系,并借助于岩石断裂能与断裂面分形维数的关系,给出了节理岩体的断裂能与断裂面分形维数之间的关系.本法为直接从岩石的断裂参数推出节理岩体断裂参数,提供了一条简捷的途径.     

微机在测试断裂韧度K_C中的应用

本文介绍了由自行设计的ME-A数据采集器系统和PC-1500计算机组成的数据采集处理系统在平面应力断裂韧度K_c测试中的应用.配合自行设计的板条试样夹具,在老式万能试验机上测试K_c取得良好效果,为改进旧设备、开发计算机的应用和K_c微机数据处理工作提供一些经验.     

锂离子电池多尺度断裂的研究进展

锂离子电池的断裂会影响电池结构的完整性。颗粒水平的断裂和电极水平的断裂都已被证明会对电池的电化学性能和安全性能产生极大的不良影响。研究断裂机理对预防电池的断裂有着重要的意义。因此,本研究总结了近年来针对不同类型电极材料的断裂机理的相关研究,并阐述电极材料的断裂与电池老化之间的密切关系,探讨颗粒水平和电极水平上发生的断裂及其对电化学性能的影响。本研究工作可为力学断裂和电池性能之间的关联提供更深刻的理解,进而促进高稳定性、高安全性锂离子电池的设计发展。     

基于临界距离点法的混凝土Ⅰ型断裂韧度的预测

混凝土的断裂韧度是极为重要的断裂力学材料参数,本文利用临界距离理论(TCD)中的点法和混凝土标准断裂梁试样裂缝尖端应力场的近似解,提出了一种对混凝土断裂问题按临界距离的点法进行分析的方法.基于已有文献的试验材料及其实验结果,分析了这种断裂研究分析方法的可行性.将临界距离点法与双K断裂准则应用于几何相似的混凝土梁的断裂韧性和断裂过程区分析,验证了TCD点法的可靠性.实验表明:临界距离理论的点法能够获得比双K断裂准则相对安全的失稳断裂韧度,利用临界距离法还可得到相应断裂过程区长度的极限估算值.     

混凝土断裂过程的力学模型与数值模拟

混凝土是一种典型的非均匀准脆性材料,其断裂过程是非常复杂的.评述了混凝土断裂以及断裂过程研究的进展状况,主要总结了一些研究混凝土断裂的宏观力学方法和模型,介绍了从混凝土的细观层次出发模拟其断裂过程的数值模型.最后,简单介绍了作者用细观数值方法模拟混凝土宏观断裂过程的研究成果.      

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态,而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂,也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度,应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果,通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验,发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同,Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现,利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的,如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸,利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

汶川地震震后大成都地区断裂带活动性氡气测量分析评价

本文运用活动断裂剖面上的土壤氡气浓度测量,对大成都地区断裂的位置、范围和活动性进行监测,监测结果表明汶川地震对大成都地区断裂带有较大的影响。通过对北川断裂虹口剖面、彭灌断裂小渔洞剖面、彭灌断裂中坝剖面、彭灌断裂白鹿剖面以及新津-蒲江断裂剖面进行监测,从测量结果分析可知：断裂剖面土壤氡浓度背景高于无断裂带地区,且受地震影响较大,距汶川地震震中越近,断裂剖面土壤氡浓度值越高;断裂剖面氡浓度异常阈值与背景值之比均不大于3,最大值与背景值之比均小于5。结合测量地点的地形、表层土壤结构等地质条件,对大成都地区震后活动断裂的相对活动性的强弱进行科学评价,认为目前大成都地区并无活动性极强的断裂,且北川断裂与新津-蒲江断裂的活动性高于彭灌断裂。     

U形切口的有限断裂准则

有限断裂力学准则综合了应力和能量参数,假设裂纹或切口端部有限裂纹长度的增长．特别地,该有限裂纹的长度不是材料的基本常数,而是与构件的结构有关．基于U形切口两种形式：点方式和线方式有限断裂准则,对文献中的铝合金U形切口三点弯曲断裂实验进行了分析验证．一方面基于材料的断裂韧度和抗拉强度,预测切口件断裂载荷;另一方面根据几组不同的切口根部半径及其对应的临界切口应力强度因子,同时估算材料的断裂参数：断裂韧度和抗拉强度．将点方式和线方式两种不同形式有限断裂准则的预测结果,与平均周向应力准则、最大周向应力准则以及文献中相关结果进行了比较得出：无论是预测断裂载荷还是估算材料断裂参数,线方式有限断裂准则,与文献中相关结果比较吻合,尤其是估算的断裂韧度精度较高．     

基于椭球面断裂模型的高强钢刻痕杆低温断裂分析

对20个高强钢刻痕杆进行了低温(-45℃～-40℃)断裂试验,考察了高应力三维度下的高强钢低温断裂模式.试验显示:刻痕杆宏观断裂于刻痕根部,为解理断裂;刻弧半径r较小和刻弧较深(d/D较小)的试件,断裂延性较差,但断裂强度略高.基于椭球面屈服模型的数值模拟应力场显示,裂纹起裂于应力三维度较高的刻痕心部,当刻痕根部应力场达到建议的椭球面断裂模型临界值时,刻痕杆断裂.     

混凝土断裂能测试方法研究

基于局部断裂能分布的双直线模型,推导出混凝土真实断裂能和受尺寸影响的断裂能的计算公式;并进一步通过分析四组不同尺寸试件的楔形劈裂试验数据,得出了不受尺寸影响的混凝土真实断裂能.本文为确定混凝土的断裂能提供了一种实践可行的测试方法.通过实验数据拟合,给出了断裂能非均匀分布的外部区域长度与试件尺寸的关系表达式.这对于在规范中规定测试断裂能的标准尺寸试件是有意义的.     

梁在纯弯曲力矩作用下的动态塑性断裂

本文采用刚塑性分析方法,研究了带裂纹有限长韧性材料梁在纯弯曲力矩作用下的动态塑性断裂过程,本文考虑了由于断裂引起的附加轴向力对断裂过程的影响,并在分析中考虑了应变率对断裂过程的影响。文章给出了断裂过程中断裂截面上弯曲力矩和轴向力随时间的变化规律,以及裂纹长度,裂纹扩展速度和加速度随时间的变化规律。     

基于能量释放率的界面断裂实验分析方法

基于对断裂力学常用实验方法的研究,结合界面断裂问题的特殊性,以断裂力学为理论基础,通过能量释放率建立了界面断裂测量的实验分析方法,并且利用文献中的实验数据进行了验证,取得了良好的一致性.该方法通过测量试验件的载荷位移关系,利用裂纹扩展过程中的能量变化关系得到该裂纹长度下的临界能量释放率;在此基础上,根据试件的阻抗能量曲线预测结构的最大承载能力.该方法以能量释放率为理论基础,为界面裂纹的强度分析提供了合理的手段,基于能量角度建立的实验分析方法也具有良好的实用性和适用性.