几种金属材料宏观断裂形式的试验研究

总结了几种金属材料在常规破坏试验过程中的断裂现象，分析了不同材料不同应力三维度下的几种宏观断裂形式，结果表明，金属材料在不同受力形式下，随应力状态参数Rσ从大向小变化，断裂机理从穿晶脆断，向以孔洞扩张聚合、局部剪切带的扩展转化，材料可能依次发生解理脆断、孔洞正断、有孔洞影响的剪断、无孔洞影响的剪断等四种断裂形式，材料断裂危险点与断裂条件也随着发生变化。     

几种金属材料断裂条件的试验研究

考察了几种金属材料在常规破坏试验与拉-扭双轴破坏试验中，随受力条件不同，材料不同形式断裂破坏变化规律和相应的断裂条件；利用几种韧性材料复合型断裂试验结果，分析了随应力三维度变化，材料中孔洞成核形状与聚合方式的变化规律，分析了不同断裂形式时启裂点、启裂方向变化规律及主要影响因素。研究表明，从材料断裂物理机制来看，裂纹体与无裂纹体断裂破坏实质是相同的，随材料塑性因素与应力三维度变化的影响。材料内孔洞成核形状由椭球形逐渐变化为细长形，材料断裂由正拉断转向剪断，裂纹体与无裂体材料的断裂形式、断裂危险点、危险点上断裂方向等宏观量也有着相同的变化规律；区分不同物理机制建立断裂条件，可能适合解决金属材料不同形式的断裂力学问题。     

金属材料脆性断裂机理的实验研究

材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明:韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。     

铝合金材料剪切断裂实验分析

金属材料受载作用发生断裂，断裂面形式有拉断，剪断和拉剪混合型，由于剪断过程中塑性变形较为复杂，问题的研究难度大，观点争论多，本文对LY12－M铝合金材料复合型平面应变载荷状态下的几种断裂试验结果作了分析，认为在II型，近II型时发生的剪切型断裂，启裂点在裂尖附近应力三维度取最大值处，剪断的开裂方向则与启裂点上最大剪应力方向有关，同时对LC9R超强铝合金作常规破坏试验，该材料在拉伸，扭转与压缩试验时均呈剪切断裂，断裂面沿最大剪应力方位，破坏剪应力随试件应力三维度的降低而增大，综合分析试验结果得到了一些有用的结论。     

铝合金 2A12韧性断裂机制的实验研究

用轴对称圆棒静拉伸实验研究了铝合金2A12韧性断裂的特点,并探讨了临界空穴扩张比参数-VGC在实验材料上的适用性。实验测试了实验材料的拉伸特性参数及VGC参数。实验证实实验材料在不同应力状态下会发生断裂形式的转变,光滑试样表现为剪切破坏,而缺口试样为拉伸破坏,VGC参数对材料的断裂形式较为敏感。用SEM观测了试样断口显示缺口试样为空穴聚合型断裂机制。VGC参数只适用于以拉伸型断裂为主的缺口试样,对以剪切断裂为主的光滑拉伸试样不适用。     

LC4—M材料复合型韧断主要影响因素的分析

通过分析LC4－M铝合金材料在不同复合比载荷下的断裂试验结果,参照常规断裂现象,修正了一般断裂试验中认定裂纹启裂方向的方法,结合不同复合比下裂尖附近应力三维、主应力方向的计算分析,得到：在裂端的钝化变形区域、应力三维度的极大值处,对应于裂纹的启裂位置,即使在高韧性材料中发生剪切断裂的情况下也是如此;裂纹的启裂方向在拉伸断裂时与启裂点最大拉应力方向有关,在剪切断裂时启裂点最大剪应力方向有关,引起两种形式断裂的主要因数和破坏机理有很大不同。     

Bridgman 解的试验验证与分析

为研究韧性材料单轴拉伸试样的颈缩规律及颈部应力场的分布，对 Q235钢、14CrNiMoV合金钢、LY12铝合金等三种典型的金属材料光滑试样和切口试样进行了单向拉伸试验，通过研究材料屈服过程的细观机理和颈缩部位最小截面上不同位置处孔洞大小和形状的变化规律，分析了颈部应力解 Bridgman 公式中主要试验和理论上的依据和假设，并给出了影响颈部应力场分布的主要因素。结果表明：Bridgman 公式中等轴假设基本成立，屈服条件应用不合理，且颈缩部位的复杂应力场并非由颈缩部位最小截面的全面屈服和材料塑性流动导致，颈缩后构件几何形状的变化是引起应力场重新分布的主要因素。     

碾压混凝土层面的剪切断裂分析

提出把碾压混凝土直剪试验与有限元计算相结合的剪切断裂模型，这种模型考虑碾压层面上非均匀分布应力与包含应力－位移软化阶段效应，由此确定的抗剪断强度参数较传统试验值提高约３０％，更为符合实际情况。     

一种XFEM断裂分析的裂尖单元新型改进函数

提出了一种适用于裂尖改进单元的新型改进函数, 基于三角变换的方法, 保留裂纹尖端场的应力奇异性和裂纹上、下表面的位移不连续性, 将常规扩展有限元法裂尖改进单元的4 项改进函数缩减为2 项, 裂尖改进单元的结点由常规的8 个改进自由度减少为4 个. 采用2 个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面, 详细阐述了改进单元类型的判别方法, 给出一种改进单元的分区域积分方案. 最后, 若干断裂力学问题经典算例的数值计算结果表明:建议的裂尖改进函数具有较高的数值精度, 该方法是十分有效的.     

单搭拉剪胶焊接头的应力和刚度分析

胶焊复合连接技术兼具胶接和点焊的优点,它因提高结构强度和刚度而使车辆轻量化成为可能.以胶接理论为基础,考虑了被粘体剪切应变,将焊点视为大剪切弹性模量胶粘剂,胶层和焊点沿其厚度方向的剪应力不变,建立了胶焊单搭拉剪接头的线弹性应力解析模型.在应力模型基础上,将接头各组成部分看作是独立承载的拉伸和剪切弹簧单元,得到了其刚度解析模型.应力模型中的正应力和剪应力与有限元解吻合得较好,证明理论模型正确,参数研究中确定了影响胶焊单搭接头应力分布特征的关键耦合参数.     

延性材料的损伤断裂

以细观统计损伤理论为基础 ,对材料受冲击载荷作用下初期损伤的成核成长效应进行了定量计算。得到了不同动载荷作用下从损伤成核到成长阶段转换的特征时间 ,并把它应用于Johnson提出的延性材料的损伤断裂模型 ,减小了原模型中的模型参数初始损伤度的随意性 ,增加了Johnson模型的确定性与可预测性。用改进后的模型计算不同冲击速度下OFHC铜的损伤断裂 ,计算结果与实测结果吻合较好。     

基于Hertz 理论圆柱和平面之间的滑动接触分析

当圆柱与平面之间产生摩擦滑动接触时,基于Hertz理论,推导了平面内应力分量的计算公式,分析了应力的分布,描述了应力分布的特点.在接触表面上,存在最大拉应力和最大压应力;最大拉应力出现在拖动边的边缘,而最大压应力发生在导向边的区域.因此,如果接触平面因拉或压应力引起失效,首先会出现在接触表面;第一型裂纹的产生及扩展首先会发生在拖动边的边缘.剪应力,主剪应力及Von-M ises等效应力(当摩擦系数较小时)的最大值均会出现在接触体内,存在于导向边.因此,塑性滑移开始首先会发生在接触体内,然后,才扩展到接触表面.这些结论为工程应用研究提供了依据.     

功能梯度板条断裂分析

现存文献关于功能梯度材料断裂问题的研究大都假设材料性质为坐标的指数函数或幂函数,而对其它函数形式较少采用。本文假设功能梯度材料剪切模量为坐标的双曲函数,而泊松比为常量,研究功能梯度板条的混合型裂纹问题。利用Fourier积分变换技术将混合边值问题转化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程获得含裂纹功能梯度板条分别在剪切和法向载荷作用下的I型和Ⅱ型应力强度因子,并讨论了材料的非均匀性和裂纹相对尺寸对裂纹尖端应力强度因子的影响。     

水力压裂解析模型裂缝扩展参数敏感性分析

水力压裂形成复杂裂缝网络是致密储层油气开采的重要技术,掌握水压裂缝扩展机理是控制压裂行为和优化压裂效果的关键.水压裂缝动态扩展行为涉及储层岩体、注入压裂液、压裂实施工艺等方面,其中水力压裂扩展时间、压裂液流体动力粘度系数、压裂液流体注入流速、储层岩石剪切模量成为决定裂缝扩展长度和裂缝开度的重要因素.本研究采用KGD、PKN两类等高解析模型对主控因素的参数敏感性进行分析,直观、快速、可靠地获得水压裂缝扩展长度、张开度动态演化行为的量化数值.研究发现,压裂持续开展过程中水压裂缝扩展长度呈线性增长、开度逐渐趋于稳定,高流体动力粘度导致裂缝难扩展、形成较大裂缝开度,通过增加压裂液流体注入流速可同时增加裂缝扩展长度和开度,较高的岩石剪切模量将降低水压裂缝的开度.通过对比两类解析模型在不同参数下的水压裂缝扩展结果,分析压裂参数与裂缝扩展的相关性和敏感系数,讨论水力压裂解析模型的裂缝扩展参数敏感性.     

压缩载荷作用下岩石类材料的断裂模式研究

为了解岩石类材料在压缩条件下的裂纹扩展规律,本文对含有内部倾斜裂纹的石膏板试件进行了双轴压缩实验. 研究表明:在通常情况下岩石裂纹按I 型张拉模式扩展,但随着裂纹表面摩擦系数μ和围压与纵向荷载比值λ的提高,翼裂纹扩展的偏转角随之减少.当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值足够大时,例如,μ=0.83和λ=0.315,岩石裂纹按Ⅱ型剪切模式扩展.然而,当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值进一步增加时,石膏板试件将发生强度破坏.本文提出了一个理论模型用以解释和描述这一实验现象.