准脆性单晶材料动态压痕试验研究

本研究设计了由钛合金压杆与金刚石压头组成的动态压痕试验装置,研究准脆性单晶材料(冰糖和RDX含能晶体)等的高应变率响应。试验装置引入了动量缓冲块,可以避免压杆造成的多次压痕加载,对样品施加产生80μs脉冲宽度的动态压痕载荷。对比了多次与单次加载压痕加载的冰糖单晶压痕坑,其动态硬度值约为5.18MPa。RDX单晶在压痕载荷作用下非常容易发生断裂破碎,测得动态硬度值为1.304MPa。相比RDX单晶,冰糖单晶的塑性变形能力更好。用光学显微镜观察到了压痕坑的径向裂纹和侧边裂纹,试验研究给出了准脆性晶体在动态压痕载荷下的裂纹扩展模式。     

利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性

压痕法是测量材料断裂韧性 ($K_{\rm IC})$ 的常用方法之一, 如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式, 是当前面临的一大问题. 因此,在不同载荷下对单晶硅 (111) 和碳化硅 (4H-SiC, 0001面) 这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验, 对实验产生的裂纹长度$c$进行了统计分析, 并采用13个压痕公式计算材料的$K_{\rm IC}$, 开展了微米划痕实验, 验证压痕法评估半导体材料$K_{\rm IC}$的适用性. 研究结果表明: 为了消除维氏压痕实验产生的$c$的固有离散性, 需要多次测量取平均值; 裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大; 材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹, 高载荷下表现为中位裂纹; 与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的$K_{\rm IC}$平均值 (分别为0.96 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$和2.89 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$) 相比, 在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的$K_{\rm IC}$计算公式; 基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的$K_{\rm IC}$, 且维氏压头下的$K_{\rm IC}$与玻氏压头下$K_{\rm IC}$的关系不是理论上的1.073倍, 应为1.13$\pm 压痕法是测量材料断裂韧性(K_(IC))的常用方法之一,如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式,是当前面临的一大问题.因此,在不同载荷下对单晶硅(111)和碳化硅(4H-Si C, 0001面)这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验,对实验产生的裂纹长度c进行了统计分析,并采用13个压痕公式计算材料的K_(IC),开展了微米划痕实验,验证压痕法评估半导体材料K_(IC)的适用性.研究结果表明:为了消除维氏压痕实验产生的c的固有离散性,需要多次测量取平均值;裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大;材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹,高载荷下表现为中位裂纹;与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的K_(IC)平均值(分别为0.96 MPa·m~(1/2)和2.89 MPa·m~(1/2))相比,在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的K_(IC)计算公式;基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的K_(IC),且维氏压头下的K_(IC)与玻氏压头下K_(IC)的关系不是理论上的1.073倍,应为1.13±0.01.     

多裂纹扩展分析的边界元方法

采用边界元数值模拟和即时等效材料常数计算相结合的办法，只需模拟一个裂纹的扩展情况便可预测裂纹体的整体响应。针对准脆性材料的特点，采用粘性裂纹模型模拟裂纹开裂行为；采用二次裂纹扩展量作为增量控制变量，避免了软化及失稳分析中用力或位移作控制变量时遇到的困难。针对二交裂纹扩展路径未知情况，给出了预测和修正裂纹开裂界面的迭代技术，分析计算了含多个规则分布裂纹石膏板受压时的响应，并与实验结果进行了比较。结果表明该文方法的可行性与有效性。     

裂纹失稳扩展轨迹焦散线和伪焦散线实验研究

本文给出了复合型裂开裂角和称稳扩展和轨迹的焦散线参数方程，并采用Ｃ型试样，对裂纹扩展轨迹进行实验研究和数值分析，所得结果对裂纹控制和止裂设计具有实用价值。     

铝锂合金微裂纹—短裂纹生工过程的实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验，动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化一裂纹的萌生及扩展直至断裂的全过程，并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响，微裂纹向短裂纹，长裂纹发展的判据，该实验材料是模型材料，晶界结合强度较弱，裂纹沿晶开裂现象较多，经对实验结果及金相裂纹分析，表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响，晶界作为一种物质界面在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速     

双轴压缩载荷下裂纹动态传播的实验研究

本文研究了双轴压缩载荷下裂纹的起裂和非共面传播问题，用动态光弹性方法成功地记录下裂纹的动态扩展过程。获得了双轴压缩载荷下扩展裂纹的传播速度，临界开裂载荷以及开裂角第一系重要断裂参数。研究表明，在双轴压缩载荷下不闭合裂纹前缘应力场是一个混合型的奇异场，裂纹的扩展过程为稳态过程并且表现出显著的阶段性特点。     

铝锂合金微裂纹-短裂纹生长过程的实验观察

通过二元铝锂合金的细观拉伸疲劳实验，动态观察了试样表面金相微观结构组织的变化及微裂纹的萌生及扩展直至断裂的全过程，并分析讨论了晶界及微结构对微裂纹萌生及扩展的影响，微裂纹向短裂纹、长裂纹发展的判据．该实验材料是模型材料，晶界结合强度较弱，裂纹沿晶开裂现象较多．经对实验结果及金相裂纹分析，表明金属材料微结构对裂纹扩展有明显的影响．晶界作为一种物质界面存在于晶粒间，具有一定的物理和力学性质，对微裂纹扩展速率及发展行为有较大影响．     

含夹杂和微裂纹复合材料的损伤演化和分析

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维和微裂纹之间的相互作用，研究了定向分布微裂纹的演化规律及其对材料力学性能的影响，分析了纤维体积份数，弹性系数、微裂纹密度，纤维不同取向与基体开裂强度之间的变化关系，并给出了许多有意义的结论。     

基于能量释放率的Ⅱ型裂纹分叉研究

裂纹尖端存在奇异应力场,该类奇异应力场所具有的高度应力集中将导致裂纹开裂.本文应用典型的J积分理论来划分裂纹尖端的积分路径,基于能量释放率理论对Ⅱ型裂纹尖端的复杂分叉情况进行研究.通过所建立的断裂模型求解出Ⅱ型裂纹多种分叉形式的能量释放率的解析解;导出了各种分叉构型的能量驱动力;提出了各种分叉构型的K-型开裂准则;给出了裂纹分叉的临界开裂角;确定了裂纹的分叉韧性与断裂韧性之间的关系.通过本文研究方法得出的裂纹分叉形式及裂纹分叉临界开裂角与已有实验结果十分吻合.     

广布损伤裂纹扩展试验与数值模拟

对三种开裂模式无钉载平板的广布损伤裂纹扩展试验进行了研究,发现裂纹间的干涉作用明显促进了裂纹的扩展,多裂纹情况下的裂纹扩展速率远大于单裂纹.同时,利用FRANC2D/L计算和分析了单裂纹、多孔相邻裂纹、多孔不相邻裂纹、多孔等长裂纹等四种开裂模式的裂纹扩展行为及应力强度因子分布.结果表明:裂纹扩展初始阶段主要受孔自身应力集中影响,裂纹间的干涉作用弱;随着裂纹扩展到一定长度时,裂纹间的干涉作用显著增大,且随着裂纹间韧带长度的减小而快速增加,与试验结果一致.     

Analysis of Crack Patterns in Drying Corn Starch by in-situ Radiography and X-ray Computer Tomography

The formation of crack patterns in drying starch-water slurries is studied by means of in-situ radiography (measuring of the crack front velocity) and X-ray microtomography as an example of crack patterns driven by inhomogeneous shrinkage. The tomograms show the 3D crack networks forming columns with polygonal cross-sections. After crack initiation, the average crack spacing increases with growing depth, even if the crack front velocity is constant. A constant velocity is obtained by maintaining a constant evaporation rate using a feedback control. When the crack front has propagated at a constant evaporation rate over a distance of some millimeters, the average crack spacing approaches a stable value which depends on crack front velocity according to a power law. This relationship is compared to corresponding results of other authors and model predictions. The increase of crack spacing before stable values are achieved, is interpreted as a result of successive crack front instabilities.     

三点弯曲试样动态应力强度因子计算研究

利用Hopkinson压杆对三点弯曲试样进行冲击加载,采集了垂直裂纹面距裂尖2mm和与裂纹面成60°距裂尖5mm处的应变信号。根据裂尖附近测试的应变信号计算试样的动态应力强度因子,并与有限元计算结果进行比较,结果表明由于裂尖有一段疲劳裂纹区,通过裂尖附近应变信号来计算动态应力强度因子时,如果裂尖位置确定不准及粘贴应变片位置不够准确对计算结果将带来很大影响。因此利用应变片法计算动态应力强度因子时,为了获得更准确的计算结果,在实验后应对试件裂纹面进行分析测量,重新确定裂尖位置,必要时需对应变片至裂尖距离进行修正后再计算动态应力强度因子值。     

Fracture Mechanics of Corrosion Cracking in Concrete by Acoustic Emission

Nucleation of microcracks can be detected and analyzed by acoustic emission (AE), by which crack kinematics of locations, types and rientations are quantitatively estimated. The procedure was applied to clarify mechanisms of corrosion cracking. Based on fracture mechanics, numerical analysis was conducted by the boundary element method (BEM). Relations between the stress intensity factors and crack types were investigated by BEM solutions. In experiments, four types of crack patterns were nucleated by employing expansive agent. Following the surface crack, the diagonal crack and/or the horizontal crack propagated. The internal crack extended after the surface crack was terminated. Depending on the crack types, contributions of mode-I and mode-II were varied. According to AE results, four crack patterns observed differently consisted of tensile, mixed-mode and shear cracks. It is demonstrated that mechanisms of corrosion cracking in concrete are dominantly of mode-I failure along with a minor contribution of mixed-mode and mode-II.     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成,其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小,导致传统线弹性断裂力学预测方法失效,需要对其进行改进,考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析,通过对塑性区引起的残余应力的量化,结合小裂纹门槛值特性,提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型,用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验,并与理论结果进行了对比,验证了所提模型的有效性．     

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律,设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom,TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下,对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验,并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测裂纹起裂和扩展时间,从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟,研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法,计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明:3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂,该构型可用于研究动态裂纹止裂问题;数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,验证了数值模型的有效性;裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。     

横观各向同性体中的埋藏裂纹

本文采用奇异积分方程法分析了横观各向同性体中的埋藏裂纹。建立了张开型埋藏裂纹的Cauchy型奇异积分方程。当裂纹面和弹性对称轴垂直时,得到的裂纹张开位移方程的求解与各向同性情况类似。当裂纹面和弹性对称轴平行时,根据加权余量法,建立了弱解方程。给出两个算例,计算了圆形裂纹和椭圆形裂纹上的张开位移分布。数值结果表明：本文的方法是有效的。横观各向同性体中,埋藏裂纹方位任意时的裂纹张开位移方程,根据本文的方法易于得到。     

Bifurcation of collinear crack system under dynamic compression

The evolution pattern of collinear crack array plays a very important role in the final failure pattern of rock and predicting earthquake. Crack interactions lead to the nonhomogeneous pseudo-traction, then result in bifurcation of crack growth pattern. Bifurcation condition of crack growth pattern can be expressed by the crack growth length/spacing ratio. For collinear cracks loaded by dynamic compressive loads, uniform crack growth pattern yields to non-uniform crack growth pattern when the crack growth length/spacing ratio is larger than a critical value. In this paper, crack interactions are studied using stress superposition principle and the Chebyshev polynomials expansion of the pseudo-traction. The analytical solution of the critical value for two collinear cracks and infinite collinear cracks is given out. The critical value is sensitive to pre-existing crack length, the friction coefficient, the orientation of pre-existing crack, crack growth velocity.     

爆炸应力波作用下动、静裂纹相互作用的实验研究

采用数字激光动态焦散线测试系统,研究爆炸应力波作用下动裂纹与预制静裂纹(水平夹角为90°、150°)相互作用机理,以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:(1)在动、静裂纹贯通之前,静裂纹两端便出现焦散斑,动、静裂纹贯通以后,静裂纹沿爆炸应力波传播方向扩展,并且扩展速度小于动裂纹扩展速度,也小于无静裂纹时动裂纹扩展速度; (2)静裂纹存在时,动裂纹扩展的总体长度减小。动裂纹起裂时间缩短,扩展速度基本不受静裂纹的影响,裂纹应力强度因子值大于静裂纹两端值; (3)随着静裂纹水平夹角的增大,动、静裂纹贯通时动裂纹沿水平方向偏转距离增大,静裂纹B端反向扩展与动裂纹相互“咬合”,C端裂纹扩展位移和速度增大。     

Plastic strip model of circular crack under cyclic loading with damage accumulation

A cylindrical solid containing a penny-shaped crack in its mid plane is subjected to a remote tensile stress field. In the plastic region near the crack border, damage due to continuous deterioration of the material accumulates, and may lead to crack instability and crack growth. A damage model relating the crack opening displacement in the plastic zone to the fraction of the cross-sectional area occupied by voids is used to describe the conditions necessary for the onset of crack instability, fatigue crack propagation by cyclic loading, and rates of crack growth for time-dependent environmental effects.     

Cracking characteristics of mixed mode dislocations near a lip-like mode crack

This work is concerned with the cracking characteristics of mixed mode dislocations near a lip-like mode crack, stress intensity and strain energy density factor are obtained by using conformal mapping, singularity analysis and Cauchy integrals. Shielding effect generated by screw dislocation near a lip-like mode crack decreases with the increment of the distance between screw dislocation and crack tip. Larger distance between two faces of the crack leads to the shielding effect waning. The strain energy density factor of mode III decreases with the increment of the distance between dislocation and crack tip. Larger distance between two faces of lip-like mode crack also leads to the strain energy density factor waning and encourages crack initiation; the shielding effects generated by edge dislocation near the crack decrease with the increment of the distance between edge dislocation and crack tip.