晶界特征分布对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响

通过形变热处理工艺优化不锈钢的晶界特征分布,并采用厚壁圆筒外爆压缩加载实验对形变热处理前后的试样进行动态加载,研究了晶界特征分布对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢绝热剪切带自组织的影响。结果表明,形变热处理工艺优化了不锈钢的晶界特征分布,特殊晶界比例尤其是∑3晶界比例分别从27.8%,18.9%提高到72.5%,55.8%,一般大角度晶界被小角度晶界和特殊晶粒团簇取代或阻断。加载后两种状态试样的剪切带的数量和间距差别较小,但是固溶试样剪切带的平均扩展速率为446 m/s,最长剪切带长度为2.33 mm,而形变热处理试样分别为338 m/s和1.75 mm。晶界特征分布优化对剪切带的形核影响较小,但是由于特殊晶界比例的提高,明显阻碍了绝热剪切带的扩展,提高了高速变形条件下的抗损伤能力。     

Fe50 Mn30 Co10 Cr10高熵合金组织结构对其绝热剪切敏感性的影响

在室温下利用分离式霍普金森压杆对Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金帽型样进行动态加载,通过动态加载曲线对比及金相观察分析了不同组织结构对Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的绝热剪切敏感性的影响规律与机制。结果表明,在相同动态加载条件下,试样晶粒越小、密排六方(hcp)相含量越多,绝热剪切带形成时的应力坍陷时间、临界应变、单位体积绝热剪切吸收能越大,绝热剪切带的宽度越小,绝热剪切敏感性降低。以面心立方(fcc)相为基体的Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的晶粒越小、hcp相含量越多,其应变硬化效应和应变速率强化效应越大,在相同动态加载条件下绝热剪切敏感性越小。     

应变速率对Al0.4CoCrFeNi高熵合金绝热剪切敏感性的影响

在室温下利用分离式霍普金森压杆对Al_0.4CoCrFeNi高熵合金帽型试样进行动态加载，研究了不同应变速率下Al_0.4CoCrFeNi高熵合金的绝热剪切敏感性。结果表明，动态加载前后Al_0.4CoCrFeNi高熵合金的晶粒尺寸分别约为100 μm、100 nm，相差约3个数量级，动态加载后细小的晶粒尺寸使Al_0.4CoCrFeNi高熵合金具有更低的绝热剪切敏感性; Al_0.4CoCrFeNi高熵合金绝热剪切敏感性随应变速率增加而增加，在实验范围内，应变速率3 360 s^-1时绝热剪切敏感性最高，产生了与动态加载方向成45°、宽约2 μm的绝热剪切带，此时临界应变值和单位体积绝热剪切形成能也最小。Al_0.4CoCrFeNi 高熵合金在高应变率变形过程中晶粒发生明显细化。Al_0.4CoCrFeNi高熵合金在动态加载下的绝热剪切归结为材料的热-黏塑性本构失稳。     

圆盘试样巴西劈裂试验的空间应力分布及破坏过程

利用离散元数值计算方法,研究了圆盘试样径向加载时的空间应力分布及劈裂过程的裂隙扩展情况。结果表明:1)径向加载圆盘试样横截面上的应力分布规律与二维解析计算的结果相同,中轴线上的拉应力并不是常数,而是呈两端高、中间低分布,具有明显空间效应;2)不同高径比对拉应力的分布具有重要影响,试样两端最大拉应力随高径比增加而增大,中间拉应力随高径比增加而减小,当高径比大于1以后,最大和最小拉应力数值不再变化,因空间效应引起的拉应力增高程度最大为25%左右;3)由于拉应力分布不均,圆盘试样破坏裂隙首先在试样轴向两端产生,然后向试样内部延伸,试样宏观裂隙在中轴线贯通并不代表试样失去径向承载能力;4)由于空间效应影响,试样的最大径向承载应力随高径比增加而减少,由二维圆盘计算公式得到的巴西劈裂强度明显偏小,对于试验中常用的高径比为0.5的试样,建议使用系数k=1.25~1.30进行修正。     

应变柱法测试相似材料模型应力的试验研究

提出了一种测试相似材料模型内部应力的方法——应变柱法,即采用与相似材料模型相同配比的材料制作成Φ50×100 mm试样,在试样中部粘贴应变片。在加载试样时采用应变仪和引伸计同时测量其轴向变形和径向变形。试验结果表明,引伸计法测得的应变值更接近于真实值;对应变柱进行3~5遍加载标定,发现其轴向弹性模量随加载次数略有增加,而径向弹性模量有所降低,但应变柱能够保持较好的弹性,能够被用作测量模型内部应力的传感器。     

飞片冲击加载下Fe50Mn30Co10Cr10合金的动态损伤研究

采用一级轻气炮对2种预处理状态下的Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金进行了冲击加载,利用多普勒测速系统对加载中样品自由面粒子进行速度测量; 通过背散射电子衍射、金相显微镜探究了Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀高熵合金的初期层裂特征。结果表明: 马氏体和孪晶对层裂初期孔洞的形核、长大,裂纹的扩展有重要影响。孔洞并非在基体/马氏体的相界面间形核,而是优先形核于基体的晶界中,再沿基体相内部聚集形成微裂纹。与静态加载不同,动态载荷下孔洞的形核受孪晶界限制,微裂纹的拓展受马氏体阻碍,其方向并非完全与冲击方向垂直。冷轧退火试样中,晶界密度大,孔洞形核多,损伤程度较大,层裂强度低,而含有较多马氏体的热轧退火试样中裂纹扩展慢,最终损伤程度较小,层裂强度高。     

AZ31连铸板的高温压缩变形行为及组织演变

合金在高温下的流变应力与组织演变特征是构建合金热加工参数的重要基础。基于此,利用Gleeble 1500D对AZ31连铸板在温度为450和500℃、应变速率为0.15 s^(-1)的压缩行为进行了研究,并将其与400℃及以下温度的压缩变形行为进行了对比。结果发现:随着温度的升高,合金的稳态流变应力值下降,在500℃进行35%变形时仅约28.2 MPa;在较低温度时,合金流变应力取向差异(0°试样<5°试样<10°试样)随温度升高而消失;不同于稳态流变应力的变化,再结晶比例则随变形温度的升高而增大,变形量与再结晶比例之间保持正相关,而取样角度使得再结晶比例的取向性较强,500℃时再结晶比例在不同取样方向上遵循0°试样<5°试样<10°试样的变化趋势;随着变形量的进行,动态再结晶越来越充分,其组织形貌逐渐由晶界处的零散分布再结晶晶粒向“项链状”再结晶分布转变,并且逐渐呈包围状态向晶体内部扩展,最后完全取代原始连铸板组织。此外,通过示意图的方式再现了合金再结晶的形核与长大过程。     

间歇性动态剪切作用下泥质夹层剪切流变特性

动力反复扰动作用是驱动岩体渐进失稳的重要影响因素,为研究爆破振动对岩体软弱结构面的影响,进行了动态剪切力间歇性循环作用下泥质软弱夹层的扰动流变试验,对比分析了试样的单纯剪切流变、单纯循环动态剪切和间歇性动态剪切作用下流变变形特征。研究表明,软弱夹层试样在流变过程中,受动态剪切力间歇性循环扰动时,若初始剪应力水平和动态循环剪切应力峰值均较低,动力扰动对试样流变过程可能无明显的影响。而若初始剪应力水平较接近其剪切强度时,微弱且长期作用的动力扰动也可以加速其流变变形过程。循环动态剪切间歇性扰动作用下试样最终发生流变破坏时,存在一应力状态门槛值,该值由静态剪应力和动态剪应力峰值之和确定。对于受泥质夹层等流变性软弱结构面控制且受爆破振动长期影响的岩质边坡,应进行瞬态动力稳定性和长期动力稳定性的综合评价。     

加载速率对充填混合材料力学特性影响研究

运用PFC2D软件研究加载速率对充填混合材料力学特性影响,选取了0.2,0.5,0.8,1.0,1.25m/s五个加载速率对充填混合材料数值试样进行单轴压缩数值模拟试验,分析不同加载速率对数值试样的破坏模式,轴向应力峰值变化影响。发现:加载速率的增大抑制单一剪切面发展,呈现同步发展,破坏模式发生较大变化。加载速率的增加抑制颗粒间裂纹发育造成的强度弱化,同时较高的加载速率造成数值模拟试样承载结构破坏,数值试样强度随着加载速率的增加呈现先增加后减小的趋势,在临界加载速率1m/s时出现轴向应力最大峰值。     

基于卸加载响应比的煤岩变形破坏研究

基于加卸载响应比理论,克服加卸载响应比的不足与局限,提出卸加载响应比的基本概念,推导卸加载响应比与弹性模量之间的关系。从损伤力学的基本理论出发,结合材料的弹性模量与损伤变量之间的关系,建立卸加载响应比与损伤变量之间的关系模型。然后,利用WE-100型万能材料试验机,对煤试样进行了单轴应力试验研究,结合煤试样的应力-应变曲线,计算卸加载响应比值并分析其变化趋势,从而得到在卸加载过程中煤试样的损伤情况。因此,基于煤岩的单轴应力试验,研究由煤岩变形破坏的应力-应变关系定义的卸加载响应比及其演化规律,用于预测煤岩的变形破坏程度是可行的。     

基于变形场时空演化的煤冲击劈裂试验研究

采用霍普金森杆冲击加载装置,通过高速摄影机搭建实验的数据采集系统,以数字散斑相关方法作为实验的观测手段,对巴西圆盘煤试件在冲击载荷作用下的冲击劈裂变形场演化规律及裂隙扩展特征进行实验研究。试验结果表明:1从变形场演化特征分析,加载初期变形场相对均匀,随荷载增加变形局部化特征明显。变形场时空演化总体表现为两个阶段特征:峰前水平方向变形量值变化较快,垂直方向变形量值变化较慢;峰后由于裂隙演化,水平方向变形量值变化缓慢,垂直方向变形量值变化较快;2霍普金森杆加载过程中,在试件两端加载处出现了局部压碎区,加载过程中主裂纹从压碎区域萌生并沿径向加载方向扩展至另一端贯通破坏;3实验测得煤样在冲击载荷作用下峰前应力随应变呈线性增长,弹性模量与静荷载相比有较大提高,由于压碎区域存在,冲击加载实验得到的煤试件拉伸强度与实际相比偏小。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样，研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能，采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图，并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明，岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律，剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间；加载初期，全局径向应变存在差异，在峰值强度时下端部区域径向位移最大，岩样上端部变形受到端部效应影响，径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制；此外，下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大，岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时，岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应，从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。     

激光选区熔化与传统加工IN718合金的组织与性能比较研究

本文对比研究了选区激光熔化(SLM)和轧制退火IN718合金的显微组织和力学性能。结果表明：由于快速冷凝造成的不平衡凝固使得SLM合金样品具有成分偏析、晶粒细小和晶内存在大量凝固胞的组织特点;且因为外延生长,出现建造方向平行于<100>晶向的强织构;经比较,轧制退火的合金样品组织均匀,晶粒尺寸是SLM样品的3 倍,晶界和晶内分别观察到少量的laves和d相,无成分偏析和亚结构存在,由于大量退火孪晶存在而使晶粒取向分布较随机。两种样品经拉伸性能试验发现,SLM样品的屈服强度和抗拉强度分别是轧制退火态的4.6和1.3倍,而延伸率有所下降,是轧制退火态的34.4%。分析认为SLM样品中晶粒细小和丰富的凝固胞亚结构是强度高的主要原因,延伸率较比传统加工样品的延伸率大幅降低应归结为打印缺陷如孔隙和残余应力的存在。     

冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。     

低煤阶厚煤层水平井方位及选层——以吉尔嘎朗图地区为例

为解决低煤阶厚煤层水平井钻井方位及层位优选难题,基于低阶煤应力敏感性机理和多斜交裂缝水平井产气模型,定量研究了水平应力差、裂缝对水平井方位的影响。通过弱面理论、断裂力学建立起煤层气井井壁稳定计算模型,提出针对厚煤层的测(录)井-脆性指数综合选层方法。研究表明:① 沁南煤岩压缩系数为0.038~0.077,鄂东煤岩压缩系数为0.025~0.074;低阶煤比高阶煤的压缩系数大,含水湿样比干样的压缩系数大;升压时的煤岩压缩系数比降压时大,裂缝样压缩系数降幅大于自然样;② 水平应力差会导致渗透率各向异性,压缩系数和水平应力差是影响水平井方位的两个最重要因素,低煤阶水平应力差大于8 MPa或高煤阶水平应力差大于14 MPa后,最优方位近似平行于最小水平主应力方向。裂缝与井眼夹角大于60°后产气最优,缝宽大于3 mm后产气量对缝宽的敏感度明显降低;③ 面割理倾角小于25°时,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口最大,沿面割理走向的安全钻井液密度窗口最小;倾角大于25°后,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口仍最大,走向与倾向之间的安全钻井液密度窗口最小;④ 吉尔嘎朗图地区水平井优选方位为NE90°~114°,JM-X井生产实践表明该选层方法能有效指导厚煤层选层。     

FeCoNiCrMn高熵合金动态力学性能与微观结构

采用分离式霍普金森压杆研究了等原子比FeCoNiCrMn高熵合金的动态力学性能及其微观结构。结果表明, FeCoNiCrMn高熵合金的锯齿行为在高应变速率下表现出明显的应变率敏感性。高熵合金在高应变率下的屈服强度随应变率增加而显著增加。当真应变为3.07时, 真应力达到1 270 MPa, 此时FeCoNiCrMn高熵合金帽型样品出现剪切失稳现象, 并形成一条宽20 μm左右的剪切带。利用光学显微镜、电子探针显微分析仪和透射电子显微镜分析了高熵合金显微组织的演变, 发现在剪切带的边界处, 位错胞和孪生结构沿剪切方向高度拉长, 直径约为150 nm的超细等轴晶粒和纳米孪晶共同存在于剪切带的中心。