不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的力学响应

蓝宝石（A1₂O₃）是透明陶瓷玻璃,它相较传统陶瓷（A1₂O₃）有优良的透光性,而且保留了陶瓷优良的力学性能。利用电子拉伸机和分离式霍普金森杆设备对试样进行准静态应变率为(10?4、10?3、10?2 s?1)和4种动态应变率(850、1 100、1 300、1 450 s?1)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了蓝宝石透明陶瓷玻璃试样在准静态和动态压缩下的破坏过程。实验结果表明:从加载过程中的应力应变曲线是由加载段和失效段组成的,该材料是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,蓝宝石透明陶瓷玻璃的抗压强度也会提高;准静态和动态压缩下蓝宝石透明陶瓷玻璃都是在宏观裂纹扩展作用下失效破坏。通过分析不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的破坏过程,分析得到该材料的失效是在加载的过程中,在蓝宝石透明陶瓷玻璃承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并沿着加载方向扩展,然后裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态破坏失效;在高应变率下,极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大的能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

基于态型近场动力学的淬火陶瓷破坏过程分析

基于态型近场动力学理论进行复合陶瓷板淬火破坏过程力学建模与分析。引入热膨胀项反映材料的热致变形,基于物质点对的断裂定义损伤,构建三维非局部常规态型近场动力学热弹脆性模型,结合多速率显式积分法计算热-力耦合,实现热冲击荷载作用下陶瓷板起裂和裂纹扩展全过程的模拟。通过模拟典型淬火Al₂O₃陶瓷板的破坏过程,并与实验和其他数值结果对比,验证了该模型和方法。使用该模型研究了含不同α-Al₂O₃纤维掺杂比率的Al₂O₃复合陶瓷板淬火破坏过程,结果表明,断裂韧性的提高显著减少了裂纹数量并延后起裂时间;含5%α-Al₂O₃纤维掺杂比率的复合陶瓷材料综合力学性能最优,能够有效提升构件抵抗热冲击荷载能力。     

高速Taylor冲击下CoCrNiSi0.3C0.048中熵合金变形微观结构的演变机制

通过对具有三级沉淀微观结构的CoCrNiSi_0.3C_0.048中熵合金(MEA)进行了Taylor冲击试验，形成了具有宽泛应变和应变率梯度的Taylor杆状试样，研究了其应变和应变率依赖的梯度微观结构分布特征及演化机制.随着应变和应变率的增加，一级Cr₂₃C₆碳化物的演变方式主要为裂纹数量增多，主裂纹中裂纹分叉增多以及裂纹宽度变大.二级Type-Ⅰ型SiC沉淀变形的演变方式主要为裂纹的产生和扩展.三级Type-Ⅱ型SiC沉淀主要为位错-绕过机制逐渐加剧.FCC基体的演变方式主要为位错与孪晶和三级沉淀之间的相互作用加剧.     

PMMA材料的动态压缩力学特性及应变率相关本构模型研究

利用INSTRON万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)对PMMA试件在较宽应变率范围内进行了单轴压缩实验,研究加载应变率对PMMA材料力学性能的影响.利用扫描电子显微镜对回收的试样进行了显微观察,重点分析不同加载应变率下PMMA的微观损伤破坏模式.结果表明:随着应变率的增大,PMMA的流动应力显著地增加,且冲击加载条件下,峰值应力的应变率敏感性明显高于准静态;在准静态加载条件下,PMMA试样呈现明显的延性破坏特征,在动态加载条件下则表现为脆性破坏.最后,对PMMA材料的ZWT粘弹性本构模型参数进行了拟合,拟合结果与实验结果吻合较好,表明该本构模型能够较好地描述较宽应变率范围内PMMA材料的应力应变关系.     

巴西圆盘泥岩试件裂纹扩展及应变演化实验研究

为了研究准静态加载条件下岩石试件巴西劈裂裂纹扩展规律,采用MTS试验机进行准静态加载,同时用高速摄像机记录裂纹扩展过程。采用白光数字散斑处理软件对摄像机记录的照片进行处理,得到试件裂纹扩展过程中应变场的演化情况。通过实验和分析可以看出,由于端部效应及加载方式的原因,因此裂纹起裂点在底部加载部位;泥岩试件表面裂纹的平均扩展速度为252m/s;岩石的非均质性即内部微缺陷、微裂纹使得泥岩试样的开裂并不是沿着中心直径方向,而是偏离一定的角度,初始偏离角度约为17°。裂纹扩展过程可以划分为三个阶段:泥岩试件宏观变形阶段(宏观无裂纹)、宏观裂纹稳定扩展阶段、宏观裂纹动态张裂阶段。同时,在裂纹扩展过程中,表面第一主应变场、水平位移场等变化明显,在开裂部位第一主应变最大。通过对圆盘泥岩试件裂纹扩展实验研究,可为研究岩石破裂及其演化规律提供依据。     

Ni3Al基涂层与不同材料配副时宽温域的摩擦学行为

采用等离子喷涂法制备Ni₃Al基涂层,分别以316L和Al₂O₃为摩擦偶件,考察25~800 ℃内摩擦偶件材料对涂层摩擦学行为的影响. 结果表明:在软金属Ag析出、BaF₂/CaF₂脆-塑性转变和摩擦氧化协同作用下,随温度升高Ni₃Al/316L和Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副的摩擦系数和磨损率具有一致的变化规律,且Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副性能更佳. 25 ℃时,涂层与316L对摩时发生黏着磨损和磨粒磨损,而与高硬度的Al₂O₃对摩时发生脆性剥层和磨粒磨损,使涂层表面更粗糙导致较高的摩擦系数;Al₂O₃热导率较低,高接触应力作用下产生的大量摩擦热不能及时耗散,剥落材料贮存于剥落坑或黏附于磨损表面,使Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有较低的磨损率. 200~600 ℃时,高硬度的Al₂O₃对涂层的犁削作用较强导致Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有高的摩擦系数;而涂层在Al₂O₃碾压下发生塑性变形,使其具有较低的磨损率. 800 ℃时,高硬度的Al₂O₃促使磨损表面形成高氧化物含量的润滑膜,使Ni₃Al/Al₂O₃摩擦副具有低的摩擦系数和高的磨损率.      

不同铺层角度复合材料Ω形柱的吸能特性

复合材料Ω形柱在碰撞吸能和轻量化方面具有一定的应用潜力，为研究铺层角度和加载速率对复合材料Ω形柱吸能性能的影响，开展了碳纤维复合材料Ω形柱的轴向压缩实验，深入分析了其吸能评价指标及破坏机理。主要研究内容及结果如下：进行了3种铺层角度([0/90]_3s、[0/45/90/-45]₃和[±45]_3s)Ω形柱的准静态和动态压缩实验研究。准静态加载时，[0/90]_3s和[0/45/90/-45]₃铺层角度试样均表现为渐进破坏，而[±45]_3s铺层角度试样表现为非稳态破坏，破坏模式的不同导致其比吸能约为前2种铺层试样的1/2；动态加载时，3种铺层角度的Ω形柱均表现为渐进破坏，且比吸能较为接近。其中，[0/90]_3s和[0/45/90/-45]₃铺层角度Ω形柱在动态加载时的比吸能较准静态分别降低了29.70%和20.97%，而[±45]_3s比吸能较准静态提高了46.10%，破坏模式的转变是其比吸能提高的...     

传爆药静态压缩力学性能及损伤特性研究

为研究聚黑-14C（JH-14C）传爆药静态压缩力学性能及损伤特性,开展准静态压缩实验,获得了不同应变率下的应力-应变曲线,建立了描述不同应变率下JH-14C力学行为的非线性本构模型;利用扫描电镜（SEM）对回收试样进行细微形貌观测,获得了准静态压缩JH-14C损伤特性的表征。结果表明:JH-14C压缩强度随应变率的升高而提高;实验与计算结果对照验证了本构模型的有效性;准静态压缩实验中,JH-14C主要损伤模式为脱湿和穿晶断裂。     

氧化铝/石墨-硫酸钡层状复合材料的摩擦学性能及润滑机理

将石墨和硫酸钡按一定比例复合作为弱界面层,通过铺层-冷压-放电等离子烧结工艺制备了Al₂O₃/Graphite-BaSO₄层状复合材料. 考察了复配润滑剂的组分对层状复合陶瓷在室温至800 ℃连续加热过程中自润滑性能的影响规律,并通过磨损表面分析探讨了其在宽温域下的协同润滑机制. 结果表明:通过复配在室温和中高温度段具有优异自润滑性能的固体润滑剂,并借助仿贝壳材料独特的层状结构特征,可有效改善氧化铝陶瓷在不同温度段的摩擦学性能,进而实现材料在较宽温度范围内的连续润滑. 基于润滑相组分优化的复合材料在室温至800 ℃温度范围内与Al₂O₃栓对摩时的摩擦系数可保持在0.28~0.48之间,比块体Al₂O₃陶瓷/Al₂O₃栓摩擦副的摩擦系数降低了近60%.      

添加Ag2Nb4O11的NiAl基复合材料的高温摩擦学性能及高温润滑机理研究

首先采用高温固相反应法合成了由纳米球状结构紧密堆积的微米级粉体Ag₂Nb₄O₁₁,然后通过粉末冶金技术制备了添加铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的NiAl基复合材料(NABO20,NiAl-20%Ag₂Nb₄O₁₁),考察其对复合材料显微结构、力学及摩擦学性能的影响. 结果表明:热压烧结过程中,Ag₂Nb₄O₁₁发生高温分解及与C发生氧化还原反应,形成了NbC和Ag相. 铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的添加使得复合材料的密度略有增加,并且显著改善了NiAl基复合材料的显微硬度. 在高温摩擦条件下(800 ℃),由于NABO20磨损表面和Al₂O₃对偶球表面均形成完整光滑的润滑膜(Nb₂O₅、Al₂O₃、Ag₂Nb₄O₁₁、AgNbO₃和AgNb₃O₈),两层膜的存在阻隔了对偶球和复合材料的直接接触,抑制了磨损进程,从而有效地提高了复合材料的耐磨性能.      

边缘冲击（EOI）作用下透明陶瓷破坏特性研究

相较于传统透明材料,相同面密度下透明陶瓷具有更优异的抗冲击性能,使其成为极具应用前景的透明装甲防护材料。研究透明陶瓷在冲击下的破坏响应及损伤演化规律,对透明陶瓷装甲的结构设计及防护能力的提高起到至关重要的作用。为了比较传统透明材料与典型透明陶瓷材料在冲击过程中的破坏特性差异,利用9 mm弹道枪发射平台进行了浮法玻璃、YAG透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷3种透明材料的边缘冲击试验,破片发射速度为200~300 m/s。通过高速摄影捕捉破片的撞击过程,分析了粉碎区及主裂纹扩展距离随时间的变化规律。结果表明,3种材料在不同速度破片的冲击作用下,粉碎区面积与材料强度呈负相关性。对同种材料,在200~300 m/s速度范围内,破片撞击速度对主裂纹的扩展速度没有影响。同时比较了玻璃与透明陶瓷在宏观尺度上的损伤演化特征差异:玻璃在粉碎区两侧产生三角形的次裂纹区域,陶瓷材料则会产生细长的次裂纹簇,并会产生较明显的裂纹“分叉”现象。利用扫描电子显微镜对回收到的陶瓷碎片进行观测,并分析了2种透明陶瓷材料在细观尺度破坏特征的异同。2种透明陶瓷的径向裂纹断面上会出现从沿晶断裂到穿晶断裂的过渡变化,而环向断裂面上几乎都是沿晶和穿晶混合断裂。2种透明陶瓷中,仅YAG透明陶瓷在沿晶断裂时会出现晶体“剥落”现象。     

动载下韧性撕裂在三种管线钢材中传播阻力的研究

阐述了用实验确定在常温及静载和动载条件下韧性撕裂在三种管线钢材中传播时的断裂比能值。实验中采用了销钉加载双面开槽的双悬脊梁(DCB)试件。应用能量平衡法对实验结果进行了分析。考察了加载速率和试件厚度对撕裂韧性的影响。结果表明,管线钢材对韧性撕裂传播的阻力在动载条件下增大,对较薄的试件及应变率敏感性较高的材料其增大更为明显。对于纯剪切断裂的传播来说,撕裂韧性一般随试件厚度的增大而增加。     

爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC实验

为探寻非钻孔条件下露天爆破大块二次破碎形态的控制方法, 应用线性聚能射流对圆柱混凝土模型试件进行侵彻实验, 使用High-speed 3D DIC(高速三维数字图像相关方法)方法分析试件劈裂发展过程的全场三维形变特征。研究结果表明, 数据分析区内劈裂裂纹扩展速度在4个区间内呈阶梯式变化趋势, 峰值速度为235.52 m/s, 平均速度为140.89 m/s;线性聚能射流侵彻对劈裂裂纹扩展有明显导向作用, 应力集中作用使得劈裂裂纹围绕线性射流侵彻对称轴扩展, 扩展方向变化幅度较小;在劈裂裂纹扩展速度突变的3个时刻, 劈裂裂纹路径产生了3处明显拐点, 在拐点处伴随有支裂纹的产生, 支裂纹的扩展距离均未超过5 cm;主应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势, 拉应变集中先于裂纹出现, 试件呈现准静态劈裂形态, 劈裂面平整度较高。     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

宽温域环境中聚四氟乙烯及其复合材料摩擦学性能研究

对比研究了?100~100 ℃范围内聚四氟乙烯(PTFE)及三氧化二铝/聚四氟乙烯(Al₂O₃/PTFE)复合材料的摩擦学性能. 研究结果表明,PTFE因为蠕变,在升温过程中摩擦系数逐步降低,磨损率逐步升高. 而引入Al₂O₃填料会显著影响PTFE的摩擦学行为,Al₂O₃/PTFE的摩擦系数普遍比PTFE高,而磨损率比PTFE低. 摩擦学机理表明,滑动过程中形成的摩擦膜是决定摩擦学行为的关键因素. 这对极端工况条件下高分子复合材料的设计具有重要的指导意义.      

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映,为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响,通过三点弯曲实验和扫描电镜方法,对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验,观察其宏观断裂情况,并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察,并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息,并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高,砂岩穿晶断裂的比例也随之升高,裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加,同时,分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见,加载速率对断裂方式有一定的影响,且加载速率越大断裂所需的破坏能越大,裂纹分布越广,表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。