脆性断裂的微观机理和非平衡统计特性

Ⅰ.引言如何才能将断裂的微观机理与宏观特性结合起来,把断裂理论建立于微裂纹演化的微观动力学基础上,从而统一导出所有重要的宏观力学量并以某些更基本的物理量表示之?这是人们为实现材料的强度和韧性设计必需解决的一个重要理论课题。就脆性断裂来说,尽管现有几个主要代表性的理论如断裂力学理论、位错理论和统计理论都各取得一定成就,但就其理论框架来说,由于明显的局限性,却难以发展成可供指导设计的理论。因此,人们在探索微观与宏观相结合的断裂理论。最近的工作表明:从微裂纹演      

固体材料的变形—断裂转变

总结评述了固体材料表现出韧或脆性,也即变形和断裂及其相互转变的力学条件。收列大量事例以说明变形—断裂转变的各种表现形式及各种条件参数的影响。提出一种能概括各种变形和断裂行为的变形—断裂转变示图。总结表明,材料的断裂行为主要受尺寸参数D和性能参数(K_c/σs)~2控制,在不同的状态条件下,可表现为弹性变形、弹性断裂、弹塑性变形、弹塑性断裂、塑性流动或倒塌、全塑性断裂等多种力学行为。     

金属穿晶脆性断裂统计理论

讨论了金属穿晶脆性断裂统计理论.根据穿晶裂纹和晶界作用的界面能模型及断裂非平衡统计理论框架,推导出了裂纹扩展速率、断裂强度、断裂韧性、脆性—韧性转变温度及其统计分布函数随晶粒尺度和界面能变化的公式. 关键词：     

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。     

辉石系矿渣微晶玻璃冲蚀磨损研究

采用熔融法以白云鄂博尾矿和粉煤灰为主要原料,制备了亚微米级辉石系矿渣微晶玻璃.采用XRD、SEM表征了其结构.以等量国产标准36#黑色SiC颗粒为磨粒,分别研究了该微晶玻璃在不同冲蚀角(30°～ 90°)、磨粒流量(0.22～3.9 g·s-1)、载荷(0.1 ～0.5 MPa)下的磨耗量变化规律.并通过冲蚀表面、剖面分析,单冲击实验和断裂分析研究了该微晶玻璃冲蚀磨损过程和机制.结果表明该微晶玻璃在相应冲蚀条件下,磨耗量随冲蚀角的增加逐渐增大;随磨粒流量的增加而减少;随着载荷的增加而线性增加.其冲蚀磨损去除方式以远大于晶粒的颗粒或残片脆性断裂为主导,部分冲蚀区域会产生冲蚀裂纹.断裂主要沿晶断裂或者穿过玻璃相断裂,也可能存在穿晶解理断裂.     

聚乙烯管材的开裂动力学与机理

PE气体管材在室温低应力长期作用下发生开裂破坏的过程是由较长时间的裂纹慢速增长(SCG)阶段和较短时间的快速增长阶段(FCG)构成的.通过预测SCG阶段的持续时间可以预测PE材料的使用寿命,而SCG阶段可由PE的拉伸试验和三点弯曲试验进行模拟并用Dugdale理论处理.用弯曲试验来模拟预测PE开裂破坏时间的式子为■PE的这种开裂破坏是由连结分子的解缠滑脱作用造成的.在宏观上表现为脆性断裂.它受应力、温度、试样切口深度以及分子量与分子量分布、支化情况和结晶情况等因素的影响.改变这些因素能够使断裂机理发生改变,从而改变PE材料的使用寿命.     

一个考虑形变能影响的脆断强度条件

针对常用强度理论解决复杂应力状态生断裂存在的问题，分析了由形状改变比能引起的塑性变形对脆断的影响，给出了一个新的脆断强度条件，并通过铸铁破坏试验作了验证。     

铝箔力学性能的实验研究

铝箔已被广泛应用于电子工业,现又被用作锂电池正极集流体,因而对于铝箔的力学性能要求也在不断提高。通过表征和研究铝箔的力学性能(弹性模量、屈服强度、断裂强度等),能够为铝箔相关技术的可靠性研究提供必要的数据支持和理论指导,从而使铝箔得到合理和可靠的使用。本文运用微拉伸、纳米压痕和动态力学分析(DMA)实验,分别研究了不同厚度的H18态和O态铝箔的力学性能。结果表明两者的弹性模量均约为30GPa,仅为块材的一半;H18态铝箔材料的断裂强度要明显强于块材,而O态铝箔材料的断裂强度则明显小于块材;此外,H18态铝箔材料的屈服强度明显大于块材,O态铝箔材料的屈服强度与块材相仿。并且,随着厚度的增加,H18态铝箔材料的延伸率显著增大,但是仍远小于块材。通过扫描电子显微镜(SEM)对铝箔材料断裂形貌进行微观分析,发现铝箔的拉伸断裂方式为脆性断裂。     

KDP晶体各向异性力学特性分析

利用压痕实验研究了KDP晶体在(001)晶面不同晶向上的硬度和断裂韧性力学特性,在此基础上利用划痕实验对(001)晶面不同晶向上的脆塑性转变点位置进行了研究.结果表明:在KDP晶体(001)晶面的[110]晶向上硬度值最小,断裂韧性值最大,最易产生塑性变形,最不易产生脆性断裂,在该方向上可以得到较大的临界切削深度,而在[100]晶向上硬度最大,最易产生脆性断裂,不易产生塑性变形,临界切削深度最小.此研究结果为磨削实验提供指导意义,即在(001)晶面上沿[110]晶向能加工出表面质量较好的KDP晶体.     

基于断裂能的岩土节理弹性-软化塑性本构模型

基于准脆性材料的断裂力学和塑性理论,提出了用于岩土节理软化行为描述的弹性软化塑性本构模型.模型的主要特点是:1)节理材料的软化塑性和扩容特性直接与断裂失效过程相联系,所采用的材料参数比已有的弹塑性软化模型所用的参数少;2)模型可以描述混合断裂失效及相应的摩擦滑动,具有较广的适用性.