TiAl基合金双态组织平板拉伸连续卸载试验的研究

通过多次拉伸卸载试验对TiAl基合金在经历多次拉伸卸载以后宏观性能和微裂纹面密度的变化,以及前一阶段的损伤对随后阶段损伤产生的影响进行了详细的研究.研究表明:在载荷控制下的试验中,随着卸载应力的增加,裂纹面密度并没有增大,即用微裂纹表征的损伤程度并没有增加的趋势;整个多次拉伸卸载过程并不影响材料的弹性模量E;当拉伸到某一个应力下,宏观表现为断裂应力以,断裂应变‘f和单位面积断裂功W'开始减小.材料在载荷控制的拉伸中产生损伤的程度并不能用弹性模量E和裂纹面密度.来衡量.     

十字交叉裂隙扩展机理试验与数值模拟研究

岩石内部微裂隙的起裂贯通破坏易引发边坡滑坡、隧道塌方和采场冒顶等工程事故,造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。为了探究裂隙岩石中裂隙演化规律及破坏机理,根据相似理论,采用细沙、白水泥和水按一定比例制作含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机对其进行单轴压缩试验,并基于室内试验测试结果,建立了含预制十字交叉裂隙岩石试样的PFC数值模拟模型,分析含十字交叉裂隙试样的裂纹起裂、扩展和贯通的演化规律及其失稳破坏机理。研究结果表明:含十字交叉裂隙试样的峰值强度和弹性模量低于完整试样;数值模拟结果的峰值强度、弹性模量、起裂应力和裂隙倾角的变化关系与室内试验测试结果的变化关系基本吻合,即随着裂隙倾角的增大呈现先增大后减小的倒"V"形变化趋势;裂隙倾角为0°时微裂纹起裂于主次裂隙尖端,裂隙倾角为30°时裂纹起裂于主裂隙尖端,裂隙倾角为45°和60°时裂纹起裂于次裂隙尖端;微裂纹数量随应变增加经历了静止期、增加缓慢期、中期增加期和最活跃期4个阶段,且后一阶段增长率总是高于前一阶段;裂隙倾角为0°、30°、45°和60°时试样的破坏模式均为对角剪切破坏。     

多形态裂隙砂岩水力耦合破坏过程与增透机理试验研究

水力耦合激活岩石天然裂隙,诱导裂隙扩展形成复杂裂隙网络,增加岩石渗透性是矿产地热共采体系中的关键技术。本文通过预制含单裂隙、T型裂隙和Y型裂隙的砂岩试样,进行三轴水力耦合试验,研究多形态裂隙砂岩的关键阈值（闭合应力、起裂应力、损伤应力、峰值强度）、弹性模量、泊松比以及破坏模式等力学特性,同时开展裂隙渐进演化过程中声发射和渗透率的演化规律研究,进一步分析水力耦合作用下裂隙岩石增透机理。结果表明:多形态预制裂隙砂岩试样在水力耦合作用下,既有裂隙均通过拉伸、剪切或混合模式扩展形成次生裂纹,构成裂隙网络,试样渗透率显著增加。单裂隙试样的次生裂隙以剪切破坏为主,T型和Y型裂隙试样的次生裂隙为剪切破坏和张拉-剪切破坏两类。此外,多形态裂隙对试样强度的影响大于水的弱化作用。随着轴压增大,岩石渗透率峰前阶段先减小后增大,达到强度破坏时突跳增大。当试样达到峰值后应力突然下降时,渗透率达到最大值,渗透率增透效果最好。预制裂隙角度和形态的变化对突跳系数的影响幅度较小,单裂隙的平均突跳系数值大于Y型裂隙大于T型裂隙。研究结果有助于理解裂隙破坏和流体流动行为,进而指导矿产地热共采的工程。      

复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究

油气主要储集在岩石孔隙和缝洞内,深部复杂应力环境下储层岩石裂隙渗透演化直接影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要研究对象。为了解复杂应力路径下含裂隙岩石的渗透演化特性,利用高精度渗流?应力耦合三轴实验设备,对含随机分布裂隙泥岩开展了单试样?复杂应力路径加卸载过程中的渗透性演化试验研究,试验方案依次为:(i) 围压递增条件下渗透性测试;(ii) 渗透压力递增条件下渗透性测试;(iii) 偏应力循环加卸载条件下渗透性测试;(iv) 围压、偏应力同步增长条件下渗透性测试。结果表明裂隙泥岩中的渗流可视为低渗流速度的层流;裂隙发育丰富岩样（R2）渗透率及应力敏感性明显较高。渗透率随渗透压力、围压分别呈正、负的指数函数变化。偏应力加载导致渗透率降低,卸载引起渗透率上升,但整体呈不可逆降低;围压、偏应力同步增长引起渗透率呈下降趋势,并逐步趋于稳定;围压10.3 MPa作用下,渗透率基本保持恒定。由此,基于裂隙双重介质模型,考虑泥岩变形过程中裂隙系统和基质系统的相互作用以及外部应力作用下的裂隙膨胀变形,构建了裂隙泥岩渗透率演化力学模型;模型模拟结果与试验结果具有较好的一致性。相关成果可为裂隙泥岩渗透性演化预测和油气高效开采提供重要的理论依据。      

含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

为研究含齿形裂隙岩石在单轴压缩下的破坏特征及强度特性，制作了含不同裂隙倾角和起伏角的齿形裂隙类岩石材料试件，并采用岩石力学伺服试验机进行单轴压缩试验。试验结果表明：（1）试件主要产生拉伸、剪切和拉剪复合裂纹，且根据裂纹的扩展路径可划分为A型（拉伸破坏）、B型（剪切破坏）、C型（复合破坏）3种破坏模式，裂隙倾角对试件最终破坏模式影响显著；（2）当裂隙倾角较小时，试件应力—应变曲线为多峰曲线，随着裂隙倾角的增大，曲线呈单峰形式，表现为延性减弱，脆性增强，而裂隙倾角相同但起伏角不同的试件应力—应变曲线大致相同；（3）当裂隙起伏角相同时，试件当量峰值强度随裂隙倾角的增大呈先减小后增大的规律，且裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。     

不同卸载应力对层状TiAl基合金损伤程度的影响

通过对层状TiAl基合金进行拉伸卸载试验，研究了不同预损伤对层状TiAl基合金断裂行为的影响。试验结果表明：随着损伤程度增加到一定程度，材料的弹性模量减小；随着预损伤程度的增加，裂纹面密度增大。通过统计分析发现裂纹面密度可以作为衡量损伤程度的损伤参量；但随着预损伤程度的增加，单位面积断裂功基本不变，进一步说明不同预损伤对层状TiAl基合金的最终断裂性能没有影响。     

含预制裂隙类岩石裂隙演化与破裂特征的试验研究

裂隙岩体是自然界中普遍存在的工程岩体,在外力作用下易引起岩体结构破坏失稳而诱发工程故事。为此,基于相似理论制作了含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机,对含有不同裂隙长度和裂隙倾角的类岩石试样进行单轴压缩试验,分析其裂隙演化规律和破裂特征。研究结果表明:含预制裂隙试样的抗压强度明显低于完整试块;当主裂隙长度一定时,裂隙岩样的峰值应力随次裂隙长度的增大而降低;当裂隙倾角为0°和60°时,裂隙岩样表现为拉伸型翼形裂纹的破坏形式;当裂隙倾角为30°和45°时,裂隙岩样表现为拉剪混合型裂纹的破坏形式,既有翼形裂纹,又有次生共面裂纹。     

砂岩单轴循环加卸载试验及声发射特征研究

通过对砂岩进行循环加载试验,揭示了砂岩在循环加卸载过程中的强度变化及声发射特性。试验利用电液伺服岩石三轴试验机和SDAES数字声发射检测仪采集系统,对两组砂岩试样分别进行单轴抗压、单轴循环加卸载试验。试验结果表明岩样在经过循环加卸载后试样的单轴抗压强度略有增大,循环加卸载过程中在伴随着岩样内部原始天然裂隙的压密、新生裂纹的产生、扩展和贯通的同时,也伴随着声发射不断产生。声发射事件在砂岩再次加载应力到达上次加载最大应力前极少发生,达到上次加载最大应力以后则大量发生,说明砂岩岩样在循环加卸在作用下存在声发射的Kaiser效应,而无Felicity效应产生。     

静载荷与循环冲击组合作用下岩石损伤本构模型研究

建立合理的损伤本构模型,对研究岩石在静载荷与循环冲击组合作用下的动态力学性能具有重要的意义. 首先,基于静载荷与循环冲击组合作用下岩石的损伤累积演化模型,结合岩石弹性模量与累积损伤变量的关系,将循环冲击次数引入岩石损伤本构关系中. 接着,假设岩石微元体强度服从Weibull分布,将统计损伤模型和黏弹性模型相结合,并根据Drucker-Prager破坏准则,建立有轴压有围压时循环冲击作用下岩石的动态损伤本构模型.进而,利用岩石动静组合加载试验数据验证损伤本构模型的正确性和可行性. 最后,研究模型中参数对循环冲击过程中应力-应变曲线的影响规律.结果表明,建立的岩石损伤本构模型较好地与试验数据吻合,能较好地反映具有静载荷的岩石在循环冲击过程中的本构关系.岩石的弹性模量、黏性系数等参数对循环冲击时岩石的应力-应变曲线影响较大;而岩石的摩擦角和泊松比等对具有三维静载岩石的冲击疲劳应力-应变曲线影响较小. 循环冲击过程中,岩石的非均匀度逐渐增加. 研究结果有益于完善静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态疲劳力学理论体系.      

室温多晶铍加卸载过程的能量耗散

采用循环加卸载的单轴拉伸试验,在应力应变全历程上对多晶铍室温滞回耗散能的特征和演化进行了研究。就特征而言,研究表明:耗散能与滞回环的应力幅和滞回环宽之积间存在具有普适性的正比关系(比例系数约为0. 72),此关系在微屈服范围仍成立;耗散能与环宽之间存在二次函数关联,在微应变范围退化为线性关系,与文献关于微屈服域行为的结论相合;耗散能与应力幅的依赖性难以用一个适用所有试样的通用形式表达,定性地讲,耗散能随应力幅的增长趋势是前缓后扬;内摩擦应力与应力幅之间也存在确定的比例关系(比例系数约为0. 36),因此内摩擦应力可通过常规拉伸而非循环加载试验确定。就演化行为而言,研究表明:耗散能、内摩擦应力、内耗随变形的演化分为两个阶段,分别对应试样拉伸过程的屈服阶段和强化阶段;耗散能在全过程中均呈现增长趋势,内摩擦应力亦如此,而且内摩擦应力演化曲线与拉伸曲线具有几何相似性;但内耗情况有些不同,其在强化阶段呈现出下降趋势,这表明铍对输入能量耗散的效率在降低,内部回复能因此持续累积,这应该是导致其破坏的主要因素。     

高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性

为进一步揭示深部岩体受到开挖爆破等动力作用时的破坏机理,利用基于SHPB装置的动静组合加载试验系统,首次对中高应变率下矽卡岩在高静应力和频繁动力扰动共同作用时的变形特性、能量规律、破坏模式等进行了研究.随着冲击次数的增加,岩石的弹性模量先增大后减小,而每次冲击时的最大应变整体表现出先减小后增大的趋势,最后一次冲击时弹性模量骤降,最大应变突增,岩石试样发生破坏.单位体积岩石能耗为负值,说明在冲击动载的作用下岩石试样表现出释放能量的特性,这是由于高静应力作用产生的弹性应变能受动力冲击作用诱导而释放;随着冲击次数的增加,单位体积岩石释放的能量先增大后减小.结构致密、强度较高的矽卡岩试样随冲击次数的增加表现出劈裂破坏模式.      

冲击荷载作用下热处理花岗岩动态力学特性研究

为研究冲击速度和热处理温度对黑云母花岗岩动态力学特性的影响,利用改进的霍普金森压杆系统对25~800 ℃共9个温度等级的热处理试样分别进行3种弹速下的冲击压缩试验。试验结果表明：随着冲击速度的增加,25~700 ℃热处理试样的应力—应变曲线由“Ⅱ型”转变为“Ⅰ型”,而800 ℃热处理试样均表现出“Ⅰ型”应力—应变曲线特征。同一温度热处理下试块的峰值应力、应变和平均应变均随动荷载的升高而增大。相同的冲击速度下,300 ℃热处理试样的动力学性能有所改善,500 ℃后试样的动力学性能开始逐渐劣化。同一温度热处理试样的破碎程度随冲击速度的增加而增加;相同冲击速度下,热处理试样的破碎程度随温度的升高先减弱后增强。     

冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展

为了给深部资源开采和大型地下空间工程中围岩体的变形机理及稳定性控制提供理论基础，通过查阅大量关于表征岩石裂纹扩展的裂纹扩展模型、应力强度因子和断裂韧性的国内外文献，总结了前人的研究成果。依据现有研究，提出了动荷载作用下岩石裂纹扩展的几点建议：（1）综合考虑弹性力学、断裂力学和损伤力学建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏这一演变过程的理论模型，使理论模型更加适应岩石材料的非线性特征；（2）采用分形、自组织和混沌等非线性理论表征动荷载作用下岩石内部以及表面裂纹的扩展演化特征；（3）采用颗粒离散元和有限差分模拟岩石材料裂纹扩展演化特征。     

循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验。首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定。然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过程,分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征。结果表明:不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯通方向基本一致;根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系:倾角β≤45°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递减,倾角β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增;循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形,轴向累积残余应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段;试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的趋势,峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63% ~ 89%,反映了较为明显的劣化现象;在循环荷载作用下,剪切裂隙和张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点,在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙,对分析岩石变形破坏过程具有一定的参考意义。      

GH4720Li合金中温区低周疲劳行为研究

摘要：奥氏体沉淀强化GH4720Li合金用于制备航空发动机涡轮盘,其服役条件下的疲劳性能是当前研究的热点。研究了GH4720Li合金在中温区（450和550℃）不同应变条件下的低周疲劳行为。结果表明,GH4720Li合金的剪切模量和杨氏模量随着温度的升高而不断降低,但是中温区的抗拉强度和屈服强度不随温度而剧烈下降。GH4720Li合金的低周疲劳寿命随着应变值的升高而降低。在550℃/09%最大应变值时,疲劳寿命存在一个“平台”而表现出极大的分散性,当最大应变值低于“平台”时,低周疲劳寿命随温度升高而升高。GH4720Li合金疲劳寿命的“平台”现象是因为样品表面裂纹萌生和内部裂纹萌生2种断裂失效模式的竞争导致。     

轧辊材料疲劳裂纹扩展理论计算与分析

辊面剥落是轧辊失效的主要形式之一。依据疲劳裂纹扩展理论,计算了轧辊材料裂纹扩展过程中裂纹扩展速率与应力强度因子幅的关系即da/d N—ΔK,分析了各因素对裂纹扩展速率的影响以及不同轧辊的裂纹扩展特征。结果表明,弹性模量、应力比、残余应力、晶粒度、断裂塑性、工作应力、断裂强度等对轧辊裂纹扩展速率的影响越来越不明显,弹性模量影响最大,而屈强比几乎没有影响;轧辊材料较高的弹性模量、较低的残余应力、较粗大的晶粒、较高的断裂塑性可以有效抑制轧辊裂纹的疲劳扩展;轧辊工作层比心部、支承辊比工作辊、锻钢辊比铸铁辊具有更高的耐裂纹扩展断裂能力。结果有助于分析轧辊失效机理并采取有效措施,防止轧辊剥落。     

深部岩体水耦合爆破裂纹扩展数值模拟研究

为认识深部高地应力岩体水耦合爆破裂纹扩展过程及机理,选择试验验证的RHT本构,采用LS-DYNA对水耦合装药单孔在不同原位应力场下的岩体爆破裂纹扩展进行数值分析。模拟结果表明：水耦合的方法延长了爆炸作用时间,提高了岩体中爆炸应力峰值和PPV（质点振动速度峰值）,增强了爆破致裂岩体的效果;原位应力在深部岩体水耦合爆破中起到增加岩体中应力和PPV的作用。研究表明：在不同的地应力条件下,均存在某一最优水不耦合系数,且最优不耦合系数随原位应力的增加而减小,水耦合时,在原位应力为0,10,20,30,40 MPa的条件下,最优不耦系数分别为5.00、3.30、2.63、1.56和1.25。     

冲击荷载下含层理介质动态裂纹扩展特性研究

利用数字激光动态焦散线实验系统（DLDC）,对含不同层理角度（30°,45°和60°）的3组有机玻璃板（Polymethyl methacrylate, PMMA）试件进行三点弯落锤冲击试验,借助高速相机记录了试件的断裂过程和裂纹尖端的动态焦散斑形状变化过程,得到了其Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子的变化特征,并分析了其裂纹尖端位移及速度曲线。结合离散格子弹簧模型（DLSM）,对比分析了试件的断裂形态,得到了裂纹尖端的应力场和运动场的变化规律,研究了应力波在层理处的透射和反射特征,最后利用DLSM分析了层理参数对介质断裂特性的影响。结果表明,试件的断裂特征,裂纹的起裂时间等都随层理角度的变化而不同,裂纹在不同角度层理内扩展速度不同;试件的断裂表现出拉剪复合特征;裂纹在抵达层理前速度在某一数值上下波动;层理的弹性模量和厚度都会对试件的动态断裂特性产生影响。      

榆神府矿区采煤地表裂缝发育规律及特征

榆神府矿区是陕北一个重要的原煤产地，煤炭开发利用规模大、强度高，但区内生态环境脆弱，采煤诱发的矿山地质环境问题尤为显著。为全面掌握榆神府矿区采煤地表裂缝“静”、“动”态发育规律、揭示其形成机理，以榆神府矿区的安山煤矿、柠条塔煤矿和小保当一号井的典型工作面为对象开展研究。研究结果表明:① 地表裂缝分为台阶型、挤压隆起型、滑动型和拉张型4种类型以及“塌陷槽”、“平行并列”2种组合方式；② 榆神府矿区地表裂缝平面展布规律具有相对统一性，而地表裂缝表现特征具有差异性，且与采深采厚比呈负相关关系；③ 极浅埋煤层开采、浅埋煤层开采以及中深埋煤层开采地表裂缝分别具有滞后回采位置1.0 m、超前回采位置8.5 m和滞后回采位置30.14 m的动态展布规律，且地表裂缝滞后距与采深采厚比之间存在多项式的函数关系；④ 边界裂缝和面内正向坡裂缝具有“只开不合”的活动特征，面内逆向坡裂缝具有“先开后合”的活动特征，面内平坦区裂缝则具有“先开后合再开”和“先开后合”两种裂缝活动特征，平均活动时间3.7～7.0 d；裂缝“先开后合再开”的活动受覆岩运移控制，“只开不合”和“先开后合”的裂缝活动受地表移动变形控制，而斜坡裂缝活动机理则与坡体滑移密切相关。研究成果可为榆神府矿区地表裂缝治理和生态修复提供指导。