基于漫反射法的钢构件塑性变形与损伤检测

从结构损伤识别的需要出发研究能够准确反映钢构件承载过程中发生的塑性变形和损伤过程的量化测试方法.用漫反射法测量了钢构件在变形和损伤过程中表面粗糙度变化的图像,依据记录下来的表面图像进一步处理得到构件表面粗糙度的平均灰度值的变化,据此寻找对构件塑性变形和损伤状态相关并且敏感的参数指标.研究结果表明,基于漫反射法和图像处理得到的钢构件承载过程中表面粗糙度的平均灰度值的变化可以判断金属试样是否发生了塑性变形,并可定量描述试样在塑性变形后期的损伤程度.     

SUS304钢表面粗糙度对红外图像的影响

为提高红外热像仪图像及测温精度,根据红外热像仪的测温原理和红外辐射原理,通过使用红外热像仪、CCD相机以及激光表面形状测量显微镜,研究了SUS304钢在单轴拉伸塑性变形过程中表面粗糙度与目标发射率的关系;并用热电偶和红外热像仪对塑性变形过程中的温度分布进行了测量。研究结果表明,目标发射率随表面粗糙度成比例增大,造成红外热像仪测定的塑性变形区域比实际变形区域大;通过预先设定材料的表面粗糙度,以提高有效目标发射率,能得到较好的红外图像和测温精度。     

一种检测塑性变形的新方法

与仅仅承受弹性变形时不同,当金属试件承受塑性变形或发生疲劳损伤时,内部微观晶粒滑移位错等会导致表面粗糙化。此时其镜面反射能力减弱,漫反射能力增强。据此提出了一种检测试件弹塑性边界和塑性变形程度的新方法。承受均匀拉伸的金属试件被普通光源沿斜向照明,载荷按预定方式逐渐增加。用CCD摄像机沿试件法线方向记录板材试件表面的亮度变化,这些亮度分布摄像机可按一定频率采集以实时图像形式记录下来。我们提出了下述简单直观的方法来分析图像数据。根据实际情况适当选择一个阈值,定义图像中灰度高于阈值的点为亮点,取参数BI为亮点个数的倒数。试验发现在弹性段参数BI基本维持定值;在试件发生屈服时由于表面粗糙化以致漫反射能力增强,图像的亮点数会显著增多,BI参数发生陡然下降的变化,在整个塑性段参数呈单调下降趋势。所以参数BI可以作为描述这一过程的特性参数。由BI的变化可以判断试件塑性变形的发生,也可以作为塑性变形程度的度量。典型的实验结果验证了这一方法,所得结果与用相关搜索方法得到的结果相比较,吻合得相当好。由于这种方法使用白光照明,对环境要求不高,操作过程简单,有望在工程实际中获得广泛的应用。本文还讨论了影响判别精度的阈值选取问题,通过对于所得数据的分析得出阈值选取可以按照误差理论中置信区间的方法来设置,并且置信区间较小时能得到比较好的结果。     

喷丸强化对Cr-Ni-Mo系高强钢的摩擦磨损性能影响

采用喷丸强化对Cr-Ni-Mo系高强钢进行强化处理,利用销盘式摩擦磨损试验机考察了喷丸前后试样的摩擦磨损性能,研究了喷丸强化对Cr-Ni-Mo系高强钢试样的表面形貌、微观结构、显微硬度、残余应力和摩擦磨损特性的影响,进一步揭示了销盘接触摩擦过程中喷丸处理的强化机理.结果表明：喷丸强化在材料表层形成了塑性变形层并产生了位错区域,但提高了表面粗糙度;随着喷丸气压和覆盖率的增加,试样的表层显微硬度和表面残余压应力值显著提高;同时,喷丸试样表面形成的冲击弹坑改善了接触界面润滑效果,喷丸试样的摩擦系数由未处理试样的0.073最大降至0.023,其磨损率由1.25×10^-5 mm³/(N·m)最大降至0.81×10^-5 mm³/(N·m),平均摩擦系数最大降低68.49%,磨损率最大降低了35.20%;此外,原始试样的磨损机理为犁沟,喷丸试样主要为犁沟、氧化磨损和黏结磨损.     

脆性固体变形响应与裂纹扩展的同步试验观测及其定量分析

通过对砂浆试样的材料变形响应和表面裂纹图象的同步观测实验研究、试样表面细观裂纹萌生和裂纹扩展图象信息的采集和量化方法的研究，探讨脆性固体材料的损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。用本文提出的实验及其分析处理方法，可以得到砂浆、混凝土、岩石一类脆性固体材料在承载和变形过程中，表面裂纹扩展的定量结果。试样的表面裂损度代表了砂浆试样在承载和变形过程中表面裂纹扩展的情况，也在一定程度上反映了试样内部的损伤情况。     

基于压电阻抗技术的奥氏体不锈钢力学损伤定量监测

采用压电阻抗(Electro-mechanical impedance,EMI)技术对奥氏体不锈钢在拉伸过程中的力学损伤进行了定量监测实验研究.选择不同损伤状态下阻抗谱谐振峰频率偏移量△f及均方根偏差(Root-mean-square deviation,RMSD)值作为损伤识别指数,结果表明:在试样弹性变形阶段,△f和RMSD值很小,并且在加载过程中基本保持不变或小有波动;试样发生塑性变形以后,二者均明显增加,其中,△f值由0.05kHz随加载应力逐渐增加至1.65kHz时试样发生断裂,而RMSD由1.3％增大至17.6％后逐渐减小.文中对这种差别出现的原因及两参数各自的特点进行了讨论.显微分析结果证实材料弹塑性转变过程中两参数的变化与试样微观损伤具有很好的对应性,表明利用压电阻抗技术监测和评价核电管道用奥氏体不锈钢的力学损伤具有可行性.     

多股螺旋弹簧扭动微动磨损机理研究

基于多股螺旋弹簧工作过程中钢丝表面发生的扭动微动磨损,建立了多股簧受冲击载荷时,各股钢丝间法向接触力及角位移值的数学模型;通过数学模型所得到的试验参数,在新型试验装置上真实模拟了多股簧工作过程中钢丝间发生的柱-柱接触扭动微动;研究了多股簧钢丝在扭动微动条件下的运行行为和损伤机理.结果表明：钢丝间法向接触力大小、角位移幅值及循环次数对扭动微动行为影响很大;扭动微动T-θ曲线在平行四边形状、椭圆状和直线状3种基本类型之间转变;损伤在部分滑移区较轻微,其磨损主要表现为磨粒磨损和轻微氧化磨损;对于混合区和滑移区,损伤加剧,磨痕表面有明显的塑性变形,损伤机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层.     

标准超声振动气蚀孕育期内材料响应与表面形貌

材料在气蚀孕育期内仅发生极轻微的磨损,但以弹/塑性变形和晶粒拔出等方式对气蚀做出响应,具体的响应方式则随材料种类而不同.通过对孕育期内材料响应和磨损表面形貌的研究,探索不同材料响应与磨损表面形貌的关系,从而建立以表面粗糙度测量和光学显微镜观察等方式进行材料孕育期的研究.本文在标准超声振动气蚀试验机上进行了纯铜、镍基合金Hastelloy C-276和Sialon陶瓷共三种材料的气蚀试验,着重考察了它们在各自孕育期内的表面粗糙度参数（表面粗糙度R_a和核心粗糙度深度R_k）以及蚀坑面积比的变化.研究结果表明：纯铜和Hastelloy C-276在孕育期内主要以塑性变形为主.R_k不仅可以更好地反映孕育期乃至整个气蚀过程的材料表面形貌变化,还能反映不同金属在孕育期内塑性变形的程度.Sialon陶瓷在孕育期内以新蚀坑的形成为主,伴随着少量蚀坑的长大,蚀坑面积比很好地表征了陶瓷材料孕育期的变化.     

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

图像维数计算方法及其实质研究

基于颜色单元体模型,本文提出了一种间接量测表面形貌的新方法——真彩图像维数计算方法,并通过激光表面仪扫描实验对此进行了验证。该计算方法的提出,使在表面形貌的实验研究中用拍摄数码照片方法取代激光表面仪扫描成为可能。比较研究显示,该方法具有简单、方便、直观和扫描范围大等优势,是表面形貌实验研究手段上的一大改进。本文还分别探讨了二值化图像,灰度图像,真彩图像的分形特性,剖析了三类图像维数的物理实质。比较研究结果显示,对于同一试样,真彩图像维数最大,灰度图像次之,二值化图像维数最小,其维数在区间[1,2]内。以此说明,二值化图像维数是曲线维数,灰度图像维数仅考虑了颜色明度值的影响,只有真彩图像维数充分考虑了色彩、色饱和度和明度值的"贡献",该维数才是"全局"意义上的图像维数。     

非定常热传导对弹-粘/塑性变形和断裂的红外图像分析

本文使用CCD像机、热电偶和红外摄像机对有裂纹平板试样,在单轴拉伸实验中对裂纹尖端附近弹-粘/塑性变形,裂纹的发生、进展,裂纹开口位移和试样表面温度进行了测量.并且用非定常热传导理论对弹-粘/塑性变形和断裂过程中的温度效应进行了解析(FEM).结果显示对于铁合金在不同的应变速率下,用非定常热传导理论解析得到的裂纹尖端附近温度分布与红外图像非常接近.     

面接触条件下海藻酸钠的水基润滑

以海藻酸钠作为水基润滑添加剂,研究面接触条件下石英玻璃片摩擦副的摩擦学特性.采用红外光谱仪分析海藻酸钠的分子结构,采用3D表面轮廓仪测量试样的表面形貌,在微摩擦磨损试验机上测试不同摩擦副的摩擦系数.结果表明:面接触条件下,下试样表面粗糙度Ra值为0.555 nm时,上试样表面粗糙度大于下试样表面粗糙度时方可相对滑动,上试样表面粗糙度越大,摩擦系数越大.上下试样表面粗糙度合理搭配可保证海藻酸钠溶液能形成稳定的润滑膜,获得极低的摩擦系数.加入饱和氯化物破坏海藻酸钠水合分子层,摩擦系数急剧增大.海藻酸钠水基润滑层包括水分子层和海藻酸钠水合分子层,其中海藻酸钠水合分子层起主要作用.     

塑性变形及疲劳损伤对304奥氏体不锈钢电磁特性的影响研究

利用MTS双轴试验机制作了具有不同塑性变形及不同疲劳损伤的试样,采用四端子直流电位法考察塑性变形和疲劳损伤对304奥氏体不锈钢材料电导率的影响,并利用极软磁磁滞回线仪测量塑性变形和疲劳损伤对材料磁性特性的影响。结果表明:首先基于实验研究发现塑性变形会导致材料电导率下降,磁特性升高;并通过微观分析得到塑性变形引起材料位错、滑移、孪晶的产生是导致材料电磁属性变化的诱因。其次,考察了疲劳损伤对304奥氏体不锈钢电磁特性的影响,表明疲劳损伤也可使材料电导率下降,磁特性升高。最后,实验研究发现塑性变形与疲劳损伤的复合作用增强了对304奥氏体不锈钢电磁特性的影响。     

靶材表面粗糙度对GCr15钢表面激光毛化微突体形貌的影响

对不同粗糙度GCr15钢表面激光毛化微突体形貌的几何尺寸、金相组织及各区域表面显微硬度进行了分析.结果表明:粗糙钢表面对激光能量的吸收率高于镜面试样,因此粗糙表面激光毛化微突体的高度比镜面试样的略高;但粗糙表面微突体端部的淬火区组织会因金属蒸发而产生孔洞而降低表面的显微硬度,从而影响表面的耐磨性.为了得到较细化的金相组织而又不产生金属蒸发现象,在控制激光毛化参数条件下,应该尽可能地降低靶材的表面粗糙度,一般应保证Ra≤0.4μm.     

钢轨打磨磨痕粗糙度与交叉磨痕对滚动接触疲劳损伤的影响

利用砂纸在钢轨试样表面打磨出不同粗糙度等级(1、4和7 μm)的单向磨痕和交叉磨痕(?45°/70°、?20°/90°和45°/70°),利用MMS-2A轮轨摩擦磨损试验机对打磨后的钢轨试样进行滚动试验并分析滚动接触疲劳损伤规律. 结果表明:打磨钢轨的滚动磨损表面粗糙度和损伤均比未打磨钢轨严重,随打磨磨痕粗糙度增加,钢轨滚动磨损表面粗糙度和损伤均呈减小趋势. 当打磨粗糙度为7 μm时,滚动接触疲劳裂纹为枝裂纹,裂纹深度较小;随打磨粗糙度减小,枝裂纹发生贯穿连通形成网状裂纹损伤,裂纹深度增加. 相较于单向打磨钢轨,交叉打磨磨痕钢轨滚动磨损表面粗糙度较低,滚动接触疲劳损伤较轻微. 此外,?45°/70°和45°/70°交叉磨痕的滚动损伤比?20°/90°交叉磨痕钢轨更加轻微.      

三种钢轨材料与车轮匹配时滚动磨损与损伤行为

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了U71Mn、PD3、PG4三种钢轨与AAR-B车轮材料匹配时的滚动磨损与损伤性能.结果表明:不同钢轨材料的微观组织结构明显不同,钢轨硬度对轮轨滚动摩擦系数基本无影响;随钢轨硬度增加,钢轨磨损率减小,车轮磨损率增大,轮轨系统总磨损率先减小后增大.随试验时间增加,不同钢轨试样的硬化率趋于一致,车轮试样硬化率随钢轨试样硬度的增加而变大,轨轮硬度比随试验时间增加趋于相同.钢轨材料对轮轨试样表面损伤形貌有一定影响,随钢轨硬度增加轮轨表面犁沟现象明显,钢轨试样表面剥落损伤减轻且塑性变形层变薄,出现了明显的疲劳裂纹损伤,钢轨硬度增加导致车轮试样表面剥落加重且塑性变形层变厚;轮轨试样表层出现明显的白层现象,且车轮试样的白层更厚.     

轮轨材料硬度匹配性能试验研究

利用滚动磨损试验机研究了车轮钢与U71 Mn热轧钢轨的硬度匹配性能,分析了不同硬度车轮与U71 Mn钢轨匹配时的摩擦磨损与表面损伤行为.结果表明:车轮硬度对轮轨试样滚动摩擦系数基本无影响;随车轮硬度增加,车轮磨损量呈下降趋势,钢轨磨损量表现为线性增加,轮轨总磨损量呈先降低后增加的趋势,轨轮硬度相同时轮轨系统总磨损量达到最小.车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌有一定影响,车轮硬度低时车轮表面损伤以麻点式剥落损伤为主,随车轮硬度增加试样表面发生大块剥落损伤,对摩副钢轨试样主要表现为表面剥落损伤机制.     

人股骨密质骨横断面的微动磨损特性研究

采用配置外加体液恒温循环装置的高精密微动试验台研究了天然活性股骨密质骨/纯钛的微动磨损行为,探讨了不同位移幅值下摩擦系数随循环次数变化的规律.结果表明,在90N法向载荷下,随位移幅值增加,股骨密质骨的微动运行状态从部分滑移向完全滑移状态转变.当位移幅值较小时,接触表面变形处于弹性协调状态,损伤轻微.随着位移幅值的增加,接触表面变形逐步向弹、塑性变形以及严重塑性变形和粘着转变,微动损伤加剧.与此同时,密质骨试件微动磨痕深度随位移幅值的增加而增大,并同摩擦系数存在良好的对应关系.为了提高密质骨抵抗微动损伤的能力,有必要控制植入体/骨界面的微动幅度和降低摩擦系数.     

碳黑填充超高分子量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能研究

采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了载荷及偶件表面粗糙度对碳黑填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料摩擦磨损性能的影响；利用扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌并分析了其磨损机理．结果表明：同UHMWPE相比，碳黑填充UHMWPE的磨损质量损失随载荷增加而增大的幅度较小；偶件表面粗糙度对碳黑填充UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能影响较大，随着偶件表面粗糙度的增大，摩擦系数和复合材料的磨损质量损失均显著增大．UHMWPE及其碳黑填充复合材料在干摩擦条件下同45“钢及SiC喷涂层涂覆45“钢对摩时主要呈现犁削和塑性变形特征，犁削和塑性变形程度随载荷和偶件表面粗糙度增加而加剧。     

基于CT图像灰度分布的含杂质煤体三值化方法

煤体CT图像阈值分割是其三维真实结构重构的前提.基于单轴压缩状态下煤体的CT图像,提出了一种基于图像灰度分布的孔隙度计算方法,结合灰度直方图,利用实测孔隙度反推法对煤体CT图像进行了裂隙-煤基质-煤杂质三值化,同时与最大类间方差法和最大熵法的三值化结果进行了对比分析.结果表明,最大熵法对于煤基质和煤杂质不能较好区分;最大类间方差法对于图像微小区域灰度的突变(裂隙的产生)敏感性低,无法有效区分裂隙与煤基质;本文改进的灰度直方图法避免了最大类间方差法和最大熵法的劣势,具有较好的图像三值化效果,且煤基质与煤杂质间的阈值基于实验结果得到,具有更高的可信度和准确度.