CuAlNi单晶应力诱发马氏体相变与微结构演化的实验观察与分析

基于CuAlNi形状记忆合金单晶的一维准静态拉伸实验,着重研究相变过程中条带状马氏体的微观结构.通过金相显微镜对整个试样表面进行拍照,并利用图像处理技术和均匀化的方法,提取到了不同载荷下马氏体的含量(相分量)和条带的数量(界面数)在试样各处的分布与变化情况,找到了加载和卸载过程中相变微结构的演化规律,从而实现了对条带状马氏体相变微结构的量化处理.     

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。     

珍珠母的微结构与力学行为研究进展

珍珠母(nacre或mother-of-pearl)是软体动物贝壳内层的主要结构材料,具有优异的力学性能,已成为当前先进工程材料仿生设计和制备的研究热点.该生物材料具有完善的分级微结构,使其强度与韧性远高于组成这种材料的纯文石相.本文从珍珠母的微结构、实验研究以及力学模型3个方面对珍珠母的研究现状进行了概述,并指出目前研究中一些仍待解决的关键问题.      

材料微结构演化的相场模拟

材料的各种宏观性能与其内部的微观结构密切相关,如何通过控制材料微结构的分布来提高其性能指标一直是工程界与学术界广泛关注的课题.由于场变量在界面的突变,传统的基于局部理论的突变界面模型在描述材料微结构演化方面存在一定的困难.基于非局部理论的相场法采用扩散界面的概念来描述界面,避开了理论上描述突变界面的困难,在模拟材料内部任意的组织形态和复杂的微结构演化方面具有独特的优点.论文首先介绍相场法的热力学理论基础,包括自由移动边界问题、扩散界面模型、非局部能量泛函、相场动力学方程及其常用求解方法.然后重点介绍铁电、铁磁和多铁性材料微结构演化的相场模拟,同时简要介绍相场法在软物质和锂离子电池材料微结构演化模拟中的应用,最后给出总结和展望.     

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.      

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.      

一种铝合金层裂破坏的分形形貌与微结构的相关性

针对高速冲击下材料的层裂破坏,用盒子计数法和码尺法计算了一种铝合金的层裂剖面的分形维。结合层裂破坏形貌的微观观测讨论了分形标度区范围。测定了材料的微结构分布,对材料中的二相粒子尺寸,晶粒尺寸以及相邻的二相粒子间距的分布,层裂破坏形貌展示的自相似范围和计算分形维数时的标度区范围进行比较,发现相邻的二相粒子间距的分布范围和层裂破坏形貌的自相似范围以及分形维的标度区范围是相当的。     

计及相变微结构演化的形状记忆合金本构描述

基于对NiTi形状记忆合金的实验观察及有限元分析,考虑两相间的应变不协调关系,采用应变修正法建立了计及片层状微结构的本构模型,本模型考虑了两相间的相互约束,及其约束随微结构演化的变化规律.研究了NiTi形状记忆合金微圆管在拉伸和扭转下的响应特性.计算结果与实验结果的对比表明所建本构模型较好地描述了伪弹性响应尤其是较好地描述了拉伸实验过程中的应力跌落现象.     

微结构对金属基复合材料宏观弹塑性性能的影响

采用广义自洽有限元迭代平均化方法分析ＳｉＣ晶须增强铝基复合材料的弹塑性拉伸行为，研究纤维长径与体分比的变化对复合材料宏观弹塑性变形的影响。通过细观应力场的分析，讨论基体内塑性区的发展与复合材料宏观弹塑性变形过程之间的联系，指出纤维端头处基体塑性区的发展将对复合材料拉伸弹塑性行为有着显著影响。最后，还讨论了以名义屈服应力σ０．２来表征金属基复合材料的弹塑性特征的不足之处。     

超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能

用大掺量超细工业废渣取代水泥,最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600 m的磨细石英砂,并掺加高弹高强粗集料(最大粒径分别为15、10 mm的玄武岩石子),制备出不同强度等级的超高性能水泥基复合材料(UHPCC).对9块靶体进行了接触爆炸实验,对比分析了靶体材料的爆炸破坏现象,结果表明,制备的超高性能水泥基复合材料具有优异的抗爆炸、抗震塌性能.由爆炸漏斗坑尺寸计算分析得到3种材料的抗爆炸系数,分析表明其抗爆炸系数与材料本身的抗拉强度的平方根成反比,提出了超高性能水泥基复合材料爆炸漏斗坑深度计算公式,以期为防护工程材料的设计提供参考.     

CHARACTERISTICS OF STRESS-INDUCED TRANSFORMATION AND MICROSTRUCTURE EVOLUTION IN Cu-BASED SMA

The mechanical behavior of shape memory alloys （SMAs） is closely related to the formation and evolution of its microstructures. Through theoretical analysis and experimental observations, it was found that the stress-induced martensitic transformation process of single crystal Cu-based SMA under uniaxial tension condition consisted of three periods： nucleation, mixed nucleation and growth, and merging due to growth. During the nucleation, the stress dropped rapidly and the number of interfaces increased very fast while the phase fraction increased slowly. In the second period, both the stress and the interface number changed slightly but the phase fraction increased dramatically. Finally, the stress and the phase fraction changed slowly while the number of interfaces decreased quickly. Moreover, it was found that the transformation could be of multi-stage： sharp stress drops at several strains and correspondingly, the nucleation and growth process occurred quasi-independently in several parts of the sample.     

粘性土微观结构研究回顾与展望

本文回顾了粘性土微观结构研究的发展历史, 分析了我国微观结构研究现状及存在问题, 展望了今后研究的发展趋势。     

半晶态聚合物拉伸变形的微观机理

应用大规模分子动力学方法,采用粗粒化聚乙烯醇模型,模拟了晶区与非晶区随机交杂的半晶态聚合物模型系统,研究了半晶态聚合物在单轴拉伸变形过程中的应力-应变行为和微观结构演变.应力-应变曲线表现出4个典型变形阶段:弹性变形、屈服、应变软化和应变强化.在拉伸变形过程中,主要存在晶区折叠链之间的滑移、晶区破坏、非晶区的解缠结,以及分子链沿拉伸方向重新取向等4种主要的微结构演变形式.在屈服点附近,晶区分子链之间排列紧密程度减小而发生滑移,之后晶区变化需要的应力变小,从而形成应变软化现象.随着应变的增大,经各分子链段协同作用使非晶区分子链的解缠结和重新取向行为扩展到相对宏观尺度,导致拉伸应力增大而形成应变强化现象.      

粘塑性靶板中冲击波的演化

讨论了粘塑性靶板中的一维应变波的传播规律。利用广义特征理论导出了应力波传播的特征线和特征关系。利用特征关系和冲击波阵面上的突跃条件,得出了冲击波在传播过程中的演化的规律,并以Ｂｏｄｎｅｒ－Ｐａｒｔｏｍ幂函数型粘塑性材料为例,计算和讨论了板中应力波传播规律的特点。     

面向增材制造的熔池凝固组织演变的相场研究

激光增材制造(laser additive manufacturing, LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复. 然而, 激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织, 进而制约其服役性能. 本文针对激光直接能量沉积(direct energy deposition by laser, DED-L) Inconel 718过程, 构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型, 解决了熔池宏?微观温度场的直接耦合, 并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟, 研究了凝固过程中的晶粒演变过程. 结果表明, 模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好. 熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素. 在熔池横截面上, 凝固过程主要受温度梯度方向的驱使, 取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长. 在纵截面上, 晶粒的生长表现出弯曲生长以及“上三角”的晶粒特征, 温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲, 相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌. 本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理, 有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程, 为凝固组织的预测和调控提供理论指导. 此外, 该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.      

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.     

REMABKS ON THE STRUCTURE OF EVOLUTION EQUATIONS

ＲＥＭＡＢＫＳＯＮＴＨＥＳＴＲＵＣＴＵＲＥＯＦＥＶＯＬＵＴＩＯＮＥＱＵＡＴＩＯＮＳＪ．Ｂａｄｕｒ；ＳｕｎＢｏｈｕａ（孙博华）（Ｒｕｈｒ－ＵｎｉｒｅｒｓｉｔＢｏｃｈｕｍ，ＬｅｈｒｓｔｕｈｌｆｒＡｌｌｇｅｍｅｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｋＤ－４４７８０Ｂｏｃｈｕ...     

A REVIEW ON THE APPLICATIONS OF DEEP LEARNING IN AIRCRAFT DYNAMICS AND CONTROL

飞行器动力学与控制历经多年的发展取得辉煌成就,也面临着一系列亟需解决的难题。深度学习基于存储、记忆、预训练的新模式为动力学与控制难题的解决提供了新途径。本文以提升飞行器控制自主性和智能水平为研究主题,从三个方面总结了深度学习在飞行器动力学与控制中的应用,包括：在动力学建模中应用深度学习来提升模型计算效率和建模精度、求解模型反问题;在最优控制中应用深度学习来提升轨迹规划速度、最优控制实时性和自主性;在飞行器任务设计中应用深度学习来提升任务优化的计算效率和决策水平。在此基础上,梳理了各个方案的优缺点和部分代表性成果。最后,给出了深度学习应用于飞行器动力学与控制的四点建议。