应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性

基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.000 5～15 s-1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。     

基于相场模型的金属微波烧结演化机制分析及同步辐射断层扫描实验验证

为了探索不同种类金属材料的微波烧结机制,本文针对钛和铝两种具有不同电磁学特性的金属材料,分析了微波与金属微粒的相互作用。依据经典的麦克斯韦方程,金属表面产生电子涡流和趋肤效应。由P.Mishra和K.I.Rybakov等提出的金属在微波中的加热效率理论,推导出钛金属表面的热效应明显高于铝。因为电子涡流在磁场中产生指向颗粒内部的洛伦兹力这一微波非热效应,阻碍了内部物质向外的扩散,且铝的感应涡流大于钛,故其向心力更大。由于微波的热效应和非热效应导致物质扩散的驱动力不同,得出"钛的微波烧结速率明显大于铝"这一区别于常规烧结的结论。将获得的分析结果引入相场数值模拟,改变相场模型中控制演化过程中的表面和体扩散变量,获得不同的模拟结果,定量分析了烧结颈等微观结构参数随模拟时间的演化曲线。结合同步辐射断层扫描(SR-CT)技术获得的金属在微波烧结过程中的实验参数,与理论分析和模拟结果相吻合,从而验证了分析和模拟的正确性和可行性。上述结果可为研究金属在微波烧结过程中的演化机制提供支持。     

基于COMSOL的脆性材料相场断裂模型

相场法通过一系列微分方程描述材料断裂过程,避免了繁琐的裂纹面追踪,在模拟裂纹的萌生、扩展和分叉等方面具有优势。介绍了基于相场法的脆性材料断裂模型,给出了脆性材料断裂问题相场法控制方程的推导过程,提出了基于分步迭代法在COMSOL中实现脆性材料相场断裂模型的方法。再现了脆性材料单元模型和单边缺口平板受拉及受剪作用下的开裂过程,模拟的裂纹扩展路径与已有文献的结果相近,验证了程序的合理性。针对脆性材料相场断裂模型包含的诸多参数,采用Morris法对影响荷载-位移关系的脆性材料断裂模型参数进行了全局敏感性分析,结果表明,杨氏模量(E)、临界能量释放率(G_c)和位移增量(Δu_x)是影响模型荷载-位移关系输出结果的主要参数。基于COMSOL实现的相场断裂模型能够有效模拟脆性材料的裂纹萌生和扩展断裂过程,模型参数E,G_c和Δu_x对材料断裂性能的提升或模型参数反演效率的提高具有重要影响。     

铝素坯烧结过程微结构演化的实时观测

为实现对金属粉末压坯烧结过程的实时观测,从而验证现有的相关理论,本文利用同步辐射CT(SR-CT)技术,对铝压制陶瓷坯体的固相烧结过程进行实时投影成像;应用滤波反投影算法和数字图像处理技术,得到了陶瓷坯体在整个固相烧结过程中内部微结构演化的三维重建图像,实现了对铝压制陶瓷坯体整个固相烧结过程的无损原位观测,得到了样品由烧结中期进入烧结后期的完整的演化过程图像。通过重建图像,清晰观测了样品的固相烧结过程:在烧结前、中期(烧结时间t<180min、温度T<600℃),烧结颈形成并随烧结时间生长;由烧结中期开始进入后期时(烧结时间t≥180min、温度T≥600℃),样品内部结构演化加剧,气孔由相互连通演化为相互孤立并球化。进一步在实验图像的基础上分析了二面角等烧结特征的变化情况,得到烧结颈尺寸与时间对数有较好的线性关系,并可根据曲线分辨中期、后期。统计了样品在不同烧结时间的孔隙率,得到了孔隙率随烧结时间和烧结时间对数的变化曲线;分析了样品在不同烧结阶段的致密化特点,得到了烧结中期孔隙率和时间对数的线性关系。实验结果验证了现有的烧结理论,并为进一步完善烧结理论以及建立扩散和本构模型提供了高质量的实验数据。     

增材制造微结构演化及疲劳分散性计算

为了预测增材制造中工艺参数?微结构?力学性能之间的关联规律, 提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法, 揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响. 首先, 采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设; 其次, 通过热?熔体?微结构耦合的非等温相场模拟, 获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构; 然后, 应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应, 并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP); 最后, 采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性. 以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明: 增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低, 且呈各向异性; FIP极值符合Gumbel极值分布规律, 激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性, 但会导致FIP极值升高, 使得疲劳裂纹萌生驱动力增加, 疲劳寿命降低.      

应力诱发界面扩散下夹杂演化的有限元模拟

应力作用下内连导线中的夹杂等缺陷会迁移和变形,从而影响电子器件的可靠性.论文基于应力诱发表面扩散机制下的弱解描述,推导了固-固界面在界面扩散机制下的有限单元控制方程,并数值分析了应力诱发界面扩散下金属内连导线中夹杂的形貌演化.研究结果表明:在拉压应力下,夹杂会发生分节或者圆形化;在双向等值拉应力下,夹杂存在着沿长轴生长...     

水泥水化的微结构与性能演化研究进展

水泥是一类重要的工程结构材料,其力学性能依赖于水泥的水化过程．综述了水泥水化的微结构和性能演化的研究进展;评述了研究水泥水化过程的实验方法和理论方法;详细介绍和评述了水泥水化的微结构仿真模型、力学分析模型以及建立微结构．性能关系的基本方法．分析和展望了未来水泥水化的主要问题和研究方向．     

基于统一相场理论的锂电池电极颗粒断裂模拟研究

锂电池充放电过程中,锂离子的脱出和嵌入会引发电极颗粒的不均匀体积变化和机械应力.上述锂离子扩散过程诱发的应力与电极颗粒的尺寸大小、截面形状和冲放电速率有关,可能会导致电极颗粒出现裂缝起裂、扩展甚至断裂等力学失效,对锂离子电池的容量和循环寿命等性能产生不利影响.为准确模拟并预测电极颗粒的力学失效过程,在笔者前期提出的统一相场理论框架内进一步考虑化学扩散、力学变形和裂缝演化等耦合过程,建立化学–力学耦合相场内聚裂缝模型,发展相应的多场有限元数值实现算法,并应用于二维柱状和三维球体锂电池电极颗粒的力学失效分析.由于同时涵括了基于强度的起裂准则、基于能量的扩展准则以及基于变分原理的裂缝路径判据,这一模型不仅适用于带初始缺陷电极颗粒的开裂行为模拟,而且适用于无初始缺陷电极颗粒的损伤破坏全过程分析.数值计算结果表明,相场内聚裂缝模型能够模拟锂离子扩散引发的电极颗粒裂缝起裂、扩展、汇聚等复杂演化过程,可为锂离子电池电极颗粒的力学失效预测和优化设计提供有益的参考.     

马氏体相变微结构演化过程的模拟与分析

实验中观察到形状记忆合金在应力诱发马氏体相变过程中,出现多界面的微结构,马氏体相会逐渐长大变粗,同时会出现由马氏体形核造成的应力突然降低.用多阱的弹性能函数来刻画此相变与微结构演化过程,发现相变时会出现多界面的微结构且伴随着马氏体相的形核至奥氏体相的消失过程,出现了界面数先增后减的变化,同时应力会出现跳跃而不连续.相对应的动力学模型的有限差分的计算结果同样显示形核时出现了多界面的微结构并伴随着应力的大幅振荡,随着载荷的增加界面位置随之移动,使得马氏体相区域逐渐长大.理论分析与数值模拟的结果较好地刻画了实验中观察到的马氏体相变过程中的形核,产生多界面,再到马氏体逐渐长大这一微结构的演化过程.     

内压对多场诱发表面扩散下微裂纹演化的影响

根据表面扩散控制下物质迁移机制,建立力、电、热和内压共同作用下的有限单元法,详细讨论了多场诱发表面扩散下金属材料内部微裂纹的演化过程。结果表明：对于形态比为 的微裂纹,存在一临界电场值 。当 时,微裂纹逐渐圆柱化;当 时,微裂纹分节为上下或左右两个较小的微裂纹。随着内压的增大,微裂纹圆柱化时间增长,而分节时间显著减小,且内压有助于微裂纹分节。对于 的微裂纹,当 、 和 一定时存在一临界内压值 。当 时,随着电场和内压的增大会率先在裂纹的上下两端发生裂纹扩展。对于 的微裂纹,当 MPa时,内压对临界值 的影响较小。     

一种自润滑镍基合金显微组织和相结构分析

为了进一步优化研制的含硫高温自润滑镍基合金的综合性能，以将其应用于新型高效热引擎和推进系统为目的，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针和Ｘ射线衍射仪等，对一种铸态的含硫高温自润滑镍基合金的显微组织和相结构进行了分析．结果表明：这种合金主要由以合金元素Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒ和Ｍｏ等固溶强化的镍基固溶体基体相、硫化物相Ｃｒ３Ｓ４和复合碳化物相（Ｍｏ０．９Ｃｒ０．１）２Ｃ所组成，具有三元共晶组织特征的显微组织；这种合金的摩擦磨损性能良好，但因Ｃｒ３Ｓ４多呈粗大网状分布，故其强度和冲击韧性都比较差．这为通过调整合金的成分和制备工艺，或采用适当的热处理及后加工工艺改善合金的性能提供了科学依据     

高强混凝土热-力响应的断裂相场分析方法研究

高强混凝土(High-Strength Concrete, HSC)的力学性能受温度影响较大,尤其在高温环境下性能衰退剧烈,因此在结构分析中宜采用随温度变化的材料性能参数．断裂相场方法基于Griffith变分断裂准则,无需复杂的裂纹拓展追踪技术便可处理多裂纹的问题,可方便地模拟裂纹的萌生、扩展、分岔及汇合过程．本文采用适宜进行结构断裂分析的断裂相场方法,基于能量泛函变分原理,将温度对混凝土材料弹性模量及断裂能的影响引入断裂相场分析方法中,用于高强混凝土高温环境下的强度和破坏分析．以高温作用下高强混凝土梁三点弯曲试验为算例,进行方法验证,通过与实测结果对比,证实了算法的有效性．     

缺陷演化过程中缺陷温度场的实验研究

本文以缺陷演化过程中的共性－流变与耗散现象为研究对象，利用红外扫描技术，对缺陷演化过程中的热耗散、缺陷温度场的形成及其演变规律进行了实验研究．在此基础上，对缺陷演化过程中缺陷温度场的形成及其演变规律、缺陷间相互作用进行了初步探讨．研究结果表明：缺陷演化过程是一个能量耗散过程，且缺陷演化过程中由于热耗散而形成的缺陷温度场具有分形特性，其分形维数不仅与缺陷间相互作用有关，而且是时间的函数，体现了缺陷演化过程跨越不同层次以及过程中层次间的协同作用效应．     

交变磁场对激光熔覆Fe基复合涂层组织结构及其耐磨性的影响

采用激光熔覆辅助电磁控制工艺在45钢表面合成了Fe-Cr-Si-B-C复合涂层.通过对熔覆层进行SEM、EDS和XRD表征,研究了外加交变磁场对涂层微观组织和物相结构的影响.结果表明:外加磁场可降低激光熔池固-液界面前沿液相的温度梯度和增加非均质形核率,促使粗大、方向性很强的柱状晶转变为均匀、细小的等轴晶,并能够消除熔覆层内的气孔和裂纹等缺陷,但其对熔覆层物相组成的影响不大.熔覆涂层由白色初生γ-(Fe,Cr)固溶体相和其间黑色的γ-(Fe,Cr)共晶相组成,同时含有少量Fe3(B,C)、Cr7(B,C)3、CrFeB等碳化物和硼化物.常温干摩擦磨损试验表明,外加磁场所制备的涂层耐磨性能得到明显提高,其磨损失重仅为未加磁场的43％,且摩擦系数波动较小.     

弯曲衬底上应变异质外延薄膜形态失稳的相场模拟

论文旨在研究弯曲衬底上应变异质外延薄膜的表面非线性演化行为,研究采用了基于Eshelby等效方法的相场微弹性模型来模拟二维应变Si1-xGex/Si薄膜/衬底系统的形态失稳.建立了关于等效特征应变和长程序参量的自由能泛函,数值求解了时间相关的Ginzburg-Landau动力学方程.系统自由能包括化学能,弹性应变能以及薄膜、衬底与真空相两两之界面能.跟踪了全时的形态演化过程,给出了指定时刻的量子点形态轮廓图.结果表明,量子点倾向于沉积在弯曲衬底的波谷处,波谷处是能量有利位置,量子点在此处比在波峰处更加稳定.论文所做的相场模拟可以用来预测量子点形成的轮廓、尺寸和位置,可以为控制和生成周期性自组装表面纳米结构提供理论指导.     

随机结构静力反应概率密度演化方程的差分方法

随机结构分析的概率密度演化方法是分析随机结构静力反应的一种具有良好前景的方法。本文研究了求解随机结构静力反应概率密度演化方程的差分方法，分别探讨了单边差分格式和Lax-Wendroff格式的计算性态。二者均能满足概率相容性条件并且能够保证均值线性增长。以八层框架结构的静力随机反应为例，对两种差分格式的结果及精确解答进行了具体的比较分析。研究表明，两种差分格式均是收敛和稳定的，在不连续点处存在角点效应．单边差分格式能够保证概率非负性，而Lax-Wendroff格式具有往往更快的收敛速度。就变异系数而言，通常单边差分格式的变异系数随着区间离散数的增长而趋于稳定值，Lax-Wendroff格式则一开始就可得到恒定的值。     

不同温度下Cu/FeS复合材料摩擦过程中组织演变的分子动力学模拟研究

通过计算机模拟的方法对不同温度下Cu//Cu/FeS摩擦副的摩擦性能进行计算研究,结果发现:当环境的温度在500 K时,摩擦副的摩擦系数出现第一个谷值,而此时金属铜发生再结晶,黏着磨损更为明显;700 K时,黏着层数减小而摩擦系数却有所增大,主要是由于复合材料内部的FeS结构发生转变造成.计算结果还证明:在高温情况下,增强相FeS存在先分解再重新结合的2个过程,并指出Cu/FeS复合材料在900 K时,仍然具有很好的减摩耐磨作用.还对不同温度摩擦时复合材料内部的组织演变过程进行系统分析,分析结果表明,随着温度的升高,FeS的结构发生演变,从六方NiAs型超结构相转变为简单NiAs型结构相,并且随着温度的升高,FeS结构的 c/a 也在不断减小,这些都影响着复合材料的摩擦性能.     

Microstructure development in concentrated suspensions in a spinning ball rheometer

The spinning ball rheometer has been proposed as a method to measure the microstructure effect on the bulk rheological properties of concentrated suspensions. Recent experiments have shown that the measured extra torque on the spinning ball decreases as the radius of the spinning ball becomes comparable to the size of the suspended particle. We have performed a series of three‐dimensional boundary element calculations of the rheometer geometry to probe the microstructure effects that contribute to that apparent slip. We present a series of quasi‐static results based on random initial configurations as well as fully three‐dimensional transient calculations, both of which are compared to the available experimental data. For the two cases, the apparent viscosity decreased as the size of the spinning ball decreased relative to the suspended particle. Comparison of the quasi‐static and transient simulations indicates that the microstructure development is critical even at short times. In the transient calculations, the viscosity was observed to increase substantially relative to the torque based on the random initial configuration. Published in 2005 by John Wiley & Sons, Ltd.     

非匀质材料板的微结构优化设计

探讨具有微结构构造的非匀质材料构件在微结构层次上的优化设计,即寻求满足构件宏观性能要求的最佳微结构材料与构造参数。文中采用细观元法确定非匀质材料构件宏观性能与材料微结构参数间定量关系,建立起微结构优化设计数学模型,具体分析了复合材料板件满足强度、刚度要求的最佳微结构参数。有关方法可适用于复合材料、功能梯度材料、智能材料等新材料构件。     

冲击下宏观相边界的传播

研究了具有CdS型相变本构材料的宏观相边界传播规律。相边界包括纯新相和混合相两段。纯新相段可用逐步近似法,混合相段则必须用数值方法求解。给出了三种加卸载应力边界条件下的算例。在突加突卸的应力边界条件下,给出了相边界传播的解析解。在算例中,各种解法得到的结果彼此很好符合。