夹杂物尺寸对粉末高温合金低周疲劳寿命影响的机制

为了研究夹杂物尺寸对粉末高温合金低周疲劳寿命的影响,将夹杂分别位于试样中心、表面、亚表面并改变其尺寸,研究同一位置下,不同夹杂物尺寸对应力应变分布的影响,结果表明:当夹杂物界面上不含微孔洞时,夹杂物与基体尺寸比例在实验室尺度（1:25）到工程尺度（1:10 000）范围内,夹杂物尺寸对应力应变影响很小;工程实际中,缺陷往往会与基体形成不完好的连接界面,即初始损伤破坏——微孔洞。缺陷对寿命的影响原因:夹杂物尺寸越大,它与基体的界面就越大,出现不完好连接和缺陷的概率就会增加,容易在界面处产生初始损伤破坏;当夹杂物界面上含有微孔洞时,随着夹杂物尺寸变大,界面正应力明显增大,界面切应力微弱减小,基体最大正应力和最大塑性应变均明显增大。     

界面拉伸强度对含夹杂粉末高温合金断裂性能的影响

采用GURSON本构方程对粉末冶金材料Ⅰ型裂纹紧凑拉伸试样进行了有限元分析，模拟了夹杂与基体之间的不同界面拉伸强度对基体的损伤及裂纹扩展性能的影响。夹杂与基体间的界面不产生开裂，基体材料的损伤及微裂纹源集中于切口区域。且有最小值；当夹杂从基体上沿界面逐渐脱落时，基体损伤及微裂纹源集中于夹杂周围区域，且在界面拉伸强度等于基体材料的屈服强度时，基体损伤最小，对大多数夹杂，基体最大等效塑性应变也最小。     

多层表面膜在滑动接触时的弹塑性有限元分析

本文研究梯度层、三明治层及普通多层膜覆层体受相同表面载荷滑动接触作用下的弹塑性变形情况。结果表明从表层至基体弹性模量逐渐降低的正样度硬覆层体,能显著改善膜层与基休界面附近的应变分布,沿纵向的应力分布曲线非常平滑,在膜层与基体界面阃及基体中的应力较小;三叫治覆层能显著降低膜层与基体界面处的最大剪应力,且裂纹尖端的应力值最小,但在界面附近的应力值和应变梯度很大：普通多层膜与单层膜相比,应力、应变分布没有明显的改进。通过对上述四种覆层体在应变、应力分布及裂纹应力场的分析可知,梯度层在这几方面都有较明显的优点,其它三种覆层体虽在某一方面有最突出的优点,但却在其它方面存在最明显的缺点。本文研究结果可为选择及设计覆层膜提供参考。     

双轴比例加载条件下含氢化物Zr-4合金变形行为的数值分析

采用有限元数值分析方法,模拟了含氢化物Zr-4合金拉-扭双轴比例加载下的变形行为.相同外加等效应变下,加载路径对含氢化物Zr-4合金的应力、应变分量的大小和分布有明显的影响,而对其等效应力-应变曲线影响较小.不同加载路径下, Zr-4合金基体的最大静水拉应力区位于氢化物与基体的界面附近.随着拉伸-扭转应变比的增加,基体中最大静水拉应力增加,而最大静水拉应力位置与外加剪切方向的夹角由45°逐渐转向90°.     

SiCp/Al-2618复合材料的应力-应变曲线和增强颗粒受力的模拟

对体积分数为15%的SiC颗粒增强Al-2618复合材料,采用不同的热处理条件得到硬基体和软基体两种不同性能的合金.建立了一个基于Eshelby等效夹杂方法的颗粒复合体力学模型,通过引入基体割线模量和切线模量的方法模拟了上述两种复合材料的应力-应变曲线,计算增强粒子的受力情况.采用基于单胞模型的有限元方法,利用ANSYS商品软件进行了同样的模拟工作并进行对比.通过与实验曲线的对照表明,Eshelby颗粒复合体力学模型可以更准确的预测出硬基体和软基体两种复合材料的应力-应变曲线,而有限元单胞模型不适用于预测软基体复合材料.预测出的粒子中的受力远高于基体中的受力,表明载荷传递是颗粒增强金属基复合材料强度提高的主要机理.     

C_f/Al复合材料横向拉伸微观损伤与力学性能的有限元分析

根据石墨纤维增强铝基复合材料(C_f/Al基复合材料)显微组织特征构建了其代表性体积单元(RVE),通过基体合金的延性损伤模型和纤维的最大应力失效模型,建立了基于内聚力界面模型的细观力学有限元模型并结合试验结果验证了其可靠性,在此基础上分析了纤维含量对复合材料横向拉伸损伤演化与力学行为的影响。结果表明,基于正六边形纤维排布RVE建立的细观力学模型能够准确预测复合材料横向拉伸力学性能。横向拉伸过程中首先发生界面损伤,随应变增加界面损伤累积,引起局部界面失效并诱发附近基体合金的损伤与失效,最终导致复合材料横向开裂,拉伸断口呈现界面脱粘和基体合金撕裂共存的微观形貌。提高纤维含量增加了界面数量和面积,从而降低了复合材料横向拉伸弹性模量和极限强度。     

Effects of Fiber Volume Fraction on Transverse Tensile Properties of SiC/Ti-6Al-4V Composites

采用有限元法分析了在残余应力和外加横向载荷作用下纤维体积分数对SiC/Ti-6Al-4V复合材料横向拉伸行为的影响。通过弹簧连接纤维与基体界面的重合节点来模拟界面脱粘。结果表明,在界面结合强度一定时,界面脱粘应力(对应于应力-应变曲线上应变的跳跃)受0°方向界面径向残余应力影响较大;在界面脱粘先于基体屈服时,复合材料失效应力(对应于应力-应变曲线上的水平部分)主要取决于纤维体积分数,且体积分数越低,失效应力越高。     

膜致应力对应力腐蚀裂尖力学特性的影响（英文）

氧化膜破裂理论是目前定量预测核电高温水环境中镍基合金应力腐蚀开裂速率应用最为广泛的理论模型之一,其中应力强度因子是衡量应力腐蚀开裂速率的重要参量。为进一步了解氧化膜破裂机理及裂纹扩展驱动力特性,提出了膜致应力强度因子。为了深入了解膜致应力强度因子在EAC(环境致裂)裂纹扩展过程中裂尖的力学状况,在不考虑外载的情况下,从理论和数值模拟两方面分析研究了EAC裂尖基体金属区域的应力应变分布状态,得出了膜致应力强度因子对裂尖Mises应力、等效塑性应变、拉伸应力、拉伸应变及拉伸应变梯度的影响规律,为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金及不锈钢EAC扩展速率精度奠定基础,进而完善了氧化膜破裂机理。     

微观组织结构对镍基825合金力学性能和硫化物应力腐蚀开裂的影响

目的 揭示微观组织结构对镍基825合金硫化物应力腐蚀开裂的影响规律及机理。方法 利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和背散射电子衍射(EBSD)分析了2种镍基825合金的金相组织、夹杂物种类及等级、晶界类型以及残余应变和晶粒尺寸分布。通过显微维氏硬度计评价了合金的力学性能,同时采用氢微印、动态充氢慢应变速率拉伸试验和三点弯曲试验,评估了合金的氢脆倾向和硫化物应力腐蚀开裂敏感性。结果 2种镍基825合金的夹杂物均以B类和D类TiN为主。2种合金中B类夹杂物均以晶界分布为主,D类夹杂物在合金1#中集中分布,在合金2#中随机分布。合金1#中B类夹杂物等级为0.91,D类夹杂物等级为1.4,合金2#中2种夹杂物等级分别为0.54和1.33。氢微印试验发现氢在合金1#的晶内、晶界处均大面积存在,而在合金2#中则分布稀疏。EBSD发现2种合金均为等轴奥氏体,合金1#晶粒尺寸稍大,晶界以随机大角度晶界为主且存在较高的残余应变集中,而合金2#晶粒细小且尺寸分布更均匀,随机大角度晶界和低Σ界面为其主要晶界类型,残余应变分布均匀。合金1#的硬度为184.67HV,屈服强度为285.30 MPa,而合金2#的硬度和屈服强度分别为207.75HV和300.03 MPa。在动态充氢慢应变速率拉伸试验中,2种合金均出现了氢脆倾向,合金1#的断裂延伸率降低了2.6%,而合金2#只降低了1.6%。三点弯曲试验中合金1#表面发生严重均匀腐蚀,出现了以穿晶为主的宏观裂纹,裂纹萌生部位的基体元素显著降低,在其周围还发现了夹杂物及其脱落留下的微孔,而合金2#表面仍有金属光泽,只有微米级的裂纹萌生于应力集中处。结论 大量夹杂物的存在降低了合金1#的屈服强度并导致晶界残余应变集中,同时作为有效氢陷阱增加了镍基825合金硫化物应力腐蚀开裂的敏感性。此外,夹杂物与金属基体之间形成微电偶,促进周围金属阳极溶解,进一步增加了合金的开裂敏感性。     

随机因素对镍基合金应力腐蚀裂尖力学特性的影响（英文）

镍基合金的应力腐蚀开裂是核电站一回路中最重要的潜在安全隐患之一,考虑物理参数的随机性,基于氧化膜破裂理论,研究了镍基合金应力腐蚀裂尖力学特性的分散性规律。为了提高随机参数数值分析的效率,结合MATLAB和ABAQUS子模型技术的优点,完成了MATLAB对ABAQUS的二次开发,将有限元数值模拟和拉丁超立方抽样(LHS)方法相结合,获得了弹性模量、屈服强度等随机参数对应力腐蚀裂尖氧化膜和基体金属区域应力应变的影响规律,并验证了方法的可行性。结果表明,随机性的影响不容忽略,屈服应力的随机性对裂尖应力的分散性影响最大,而弹性模量的随机性对裂尖塑性应变分散性的影响最为显著。     

膜致应力对应力腐蚀裂尖力学特性的影响

氧化膜破裂理论是目前定量预测核电高温水环境中镍基合金应力腐蚀开裂速率应用最为广泛的理论模型之一,其中应力强度因子是衡量应力腐蚀开裂速率的重要参量。为进一步了解氧化膜破裂机理及裂纹扩展驱动力特性,提出了膜致应力强度因子。为了深入了解膜致应力强度因子在 EAC 裂纹扩展过程中裂尖的力学状况,在不考虑外载的情况下,从理论和数值模拟两方面分析研究了EAC 裂尖基体金属区域的应力应变分布状态,得出了膜致应力强度因子对裂尖Mises应力、等效塑性应变、拉伸应力、拉伸应变及拉伸应变梯度的影响规律,为提高定量预测高温高压水环境中镍基合金及不锈钢 EAC 扩展速率精度奠定基础,进而完善了氧化膜破裂机理。     

含颗粒缺陷涂层材料线接触力学性能数值分析

目的建立线载荷作用下含颗粒缺陷涂层材料的数值分析模型,探究颗粒缺陷对涂层材料接触力学性能的影响,以期为工程实际中机械传动部件表面的涂层工艺优化设计提供理论指导。方法利用半解析法,构建考虑颗粒缺陷的含涂层非均质材料线接触模型,所得计算结果与有限元法结果吻合良好。基于该模型,研究了摩擦系数、颗粒缺陷的位置及分布对含颗粒缺陷涂层材料最大von Mises应力及其深度位置的影响。结果随着摩擦系数的增大,最大von Mises应力值逐渐增大,其深度位置从涂层内部阶跃至近表面。随着颗粒缺陷中心x坐标从左到右变化,最大von Mises应力值先增大后减小,其深度位置位于涂层与基体界面附近或颗粒缺陷近表面端的上端。随着颗粒缺陷与涂层表面距离的增大,最大von Mises应力值先增大,后减小,并逐渐趋于稳定,其深度位置先逐渐远离涂层表面,随后稳定在涂层内部或涂层与基体界面区域。分布颗粒缺陷对最大von Mises应力的影响较为复杂,其深度则位于涂层与基体的界面或颗粒缺陷与基体的界面附近。结论摩擦系数与颗粒缺陷的位置及分布对涂层材料线接触力学性能均能产生较大影响。     

42CrMo钢风电主轴开裂失效的组织缺陷分析

利用光学显微镜、扫描电镜和电子探针对热处理后开裂的42CrMo钢制大型风电主轴进行微观组织形貌及微区成分分析。结果表明,主轴裂纹附近存在大量的硫化物及氮化物夹杂,且夹杂物与基体存在明显的间隙面,易以界面脱粘开裂机制产生裂纹,同时夹杂处的微区成分偏析及裂纹附近的缩松缺陷共同作用最终导致主轴开裂。     

镁合金铸造缺陷塑性变形弥合与修复过程

通过电子显微镜、透射电镜并结合塑性变形数值模拟,观察镁合金铸造缺陷(晶间缩松和缩孔)在变形过程中的形貌变化及缺陷附近应力分布,讨论塑性变形消除铸造缺陷的力学行为,提出镁合金铸造缺陷塑性变形弥合过程为:缺陷体积压缩→界面闭合→界面两侧基体相切变→界面附近再结晶→缺陷部分弥合.结果表明:变形过程中缺陷附近应力集中明显,变形后应力集中大大降低,部分铸造缺陷得以弥合与修复.     

纳米碳管增强镁基复合材料应力传递有限元分析

结合有限元的分析方法,建立了一个简化模型来模拟纳米碳管增强镁基复合材料在拉伸试验过程中的变形,研究了基体、增强体的应变和应力分布,以及界面对复合材料力学行为的影响,探讨了纳米碳管增强体与基体间的应力传递机制和断裂机理。模拟结果表明,纳米碳管整体上受力比较均匀,在轴向上的界面处出现应力集中;基体与纳米碳管在两端面的接触部位出现明显的应力集中,应力分布呈火焰状,中心大,逐渐向外围减小,在基体的其余部位应力大小则是相对均匀的,这说明复合材料的破坏是从界面处开始的,其破坏机制是界面脱开。     

焊缝热裂纹强度准则分析

采用数值模拟和断口试验的方法分析焊接热裂纹与应力参量间关系. 采用有限单元法分析焊接热弹塑性过程,提取焊缝热过程应力参量的时历. 以热裂纹中纵向裂纹、横向裂纹、焊趾裂纹以及弧坑裂纹为例,对比不同类型的热裂纹所处焊道区域的应力三维度、第一主应力以及剪应力等应力参量在热脆性敏感温度区间的分布特征及对焊接热量输入的依赖性,结合工程经验及断口试验,探讨焊接热裂纹开裂的应力参量作用机制. 结果表明,不同类型热裂纹对应力参量敏感性各不相同,具有不同开裂机理,由此建立不同裂纹类型的强度准则.     

含夹杂粉末冶金材料拉伸试件的损伤分析

采用Gurson本构方程对含有夹杂的粉末冶金材料拉伸试件进行有限变形塑性损伤分析.研究了不同位置和不同形状的夹杂对基体空穴长大、形核、应力分布、裂纹萌生及材料的破坏特性的影响.数值模拟结果表明:夹杂位置和夹杂形状对空穴体积增长分数和空穴成核率有着显著影响,夹杂形状和位置对基体破坏作用明显,可以推论对粉末冶金材料件的使用寿命有明显的影响.     

基于ABAQUS的橡胶与金属复合部件缺陷对其剥离强度影响仿真计算

采用ABAQUS有限元仿真软件,建立橡胶与金属复合部件的粘接模型,通过仿真计算位于试样两种位置的预制缺陷以及不存在缺陷对橡胶-金属剥离强度力学性能影响,结果表明:当试样上不存在缺陷时,最大应力分布于试样两侧,破坏形式从试样两侧开始,试样上存在缺陷时,最大应力分布于缺陷两侧,破坏形式从缺陷两端开始;缺陷位于试样中心与试样宽度1/4位置时,两者等效应力变化规律一致,但达到试样抗剥离强度临界值不同;因此ABQUS有限元数值模拟是一种评价橡胶/金属粘接缺陷对机械剥离强度的力学性能的有效手段。     

夹杂物对无缝钢管裂纹形核和长大的力学影响

内外折是无缝钢管生产过程中常见的缺陷,管坯中的夹杂物对上述缺陷的形成具有重要影响。采用有限元方法,分析含条形MnS夹杂物的16Mn钢受力后的应力、应变分布情况,以期得出夹杂物对钢管内折的影响。分析认为:MnS夹杂物与基体的边界处存在应力、应变集中,而且夹杂物与基体的结合力又比较弱,导致裂纹形核在此处开始;裂纹尺寸越大,应力、应变越严重,裂纹扩展越快,越易达到扩展失稳的临界尺寸,从而形成内折缺陷;长条形夹杂物的端部存在较高的应力、应变集中,应严格控制长条形夹杂物的产生。     

基体表面形貌对Ni/Fe热喷涂及结合强度影响的原子模拟

通过分子动力学方法模拟了基体表面形貌对热喷涂的影响。研究了柱状粗糙表面和光滑表面对团簇展平、基体缺陷演化、应力分布、涂层与基体结合强度的影响。结果表明,基体表面形貌对热喷涂结合强度影响显著,粗糙表面不仅增加了团簇与基体的实际接触面积,提高了附着力,而且在界面结合处形成锚固效应,从而提高了界面结合强度。同时,基体表面形貌改变了界面区域的应力分布,柱状粗糙表面可以减小应力集中效应,降低临界应力,减轻对基体的损伤。此外,粗糙表面会阻碍团簇的滑移,减小了展平比。