基于UDEC-GBM的矿物晶粒解理特征对硬岩石破坏过程的影响

基于块体离散单元数值模拟方法（UDEC-GBM）,以钾长石矿物颗粒为例,详细研究了矿物晶粒解理倾角、解理倾角围压效应及解理间距对硬质岩石力学性质、微观开裂过程及机理的影响,并探讨了解理特征在工程实际中可能带来的影响。数值研究结果表明:（1）晶粒解理具有明显倾角效应,当解理倾角由0°增加到90°时,岩石的弹性模量、单轴压缩强度及峰后脆延特征都会发生变化,穿晶总裂纹数受影响明显,主要体现在钾长石张拉穿晶裂纹显著增加,钾长石剪切裂纹数量在60°增加到最大值后减少,石英穿晶张拉裂纹数量也有明显变化,总体而言不断增加,而沿晶裂纹数量呈减少趋势,整个开裂过程仍以张拉沿晶主导;（2）晶粒解理倾角效应受围压影响,围压会导致沿晶裂纹和穿晶裂纹数量和二者比值发生变化,但不同倾角下围压对沿晶裂纹和穿晶裂纹数量和比值变化影响不一样;（3）当解理间距由2 mm增加到4 mm时,穿晶裂纹数量有增加趋势,而沿晶裂纹数量减少,总剪切和张拉裂纹数量比值不变,对岩石微观张拉、剪切破坏机制无明显影响。此外,具有解理结构的矿物晶粒含量较高且矿物晶粒本身性质对岩石性质及响应影响显著时,解理特征对板裂、岩爆等破坏的影响应给予重视。      

基于声发射的岩石损伤演化特征分析

选用脆性红砂岩进行声发射单轴压缩试验,利用单一参量振铃计数得出红砂岩受力之后内部的损伤变化特征,并得出岩石损伤变量增长曲线及应力-应变曲线。两种曲线都能反映出微损伤生长、发展到裂隙生成、贯通的全过程,并将其损伤演化过程划分为4个阶段:微损伤压密阶段;微损伤生长、连接阶段;宏观损伤裂隙阶段;损伤裂隙贯通、破坏阶段。通过在损伤变量前提下得出的预测红砂岩裂纹尺度增长曲线,相比实际裂纹尺度增长曲线符合的较好。因此损伤变量完全可以对岩石内部损伤做出演化分析,同时也表明声发射信息中振铃计数参量包含着岩石内部变化的详细信息。     

基于NSCB方法的冻结红砂岩动态断裂特性试验

采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘弯曲试样（Notched semi-circular bend, NSCB）,设置不同的负温温度对岩石试样预处理,随后利用改进后的分离式霍普金森杆（SHPB）实验系统开展动态试验.结果表明：岩石的断裂韧度存在明显的加载率效应,断裂韧度试验值随加载率的增加近似呈指数型增大;当加载率一定时,岩石断裂韧度由常温进入负温后先缓慢后快速增加,在–20℃时达到最大值,随着温度进一步降低,岩石断裂韧度快速减小.进一步对岩石破裂过程分析发现,不同温度下岩石的断裂过程基本一致,且裂纹扩展速度受温度影响较小.基于岩石断面的扫描电子显微镜结果分析岩石断裂模式为：负温下红砂岩的断裂以沿晶破裂和胶结物的撕裂为主,伴有少量的穿晶破裂现象,同时当温度降低至–25℃时,岩石内部微裂隙数量明显增多,说明负温对岩石具有劣化作用.最后探讨了温度对岩石内部结构的影响机制,对分析岩石断裂特性的低温效应具有一定参考意义.     

基于声发射的倾斜软硬互层岩石破坏特性研究

为研究深部矿井中常见的软硬互层岩石的破坏特性,结合声发射技术对红砂岩和混凝土组合的软硬互层岩石试样进行了单轴压缩试验。对单轴压缩试验现象和数据进行分析,对试样的破坏模式进行了分类,给出了软硬互层岩石峰值抗压强度随软层倾角变化的N型曲线。对声发射数据进行分析,结果表明：（1）软层倾角大小对软硬互层岩石的稳定性有显著影响;（2）软硬互层岩石软层倾角增大时,更容易诱导裂纹密集生成从而导致失稳破坏;（3）软硬互层岩石发生失稳扩展的频次随着倾角的增加呈现先增加后减少再增加的规律;（4）随着倾角的增大,剪切裂纹占比呈现先增加后降低再增加的规律。     

温度冲击对花岗岩动态拉伸力学性能的影响

在特定情况下,岩体工程中的岩石会经历温度快速变化（温度冲击）,因此研究温度冲击对岩石的影响对实际工程中岩体的稳定性分析有重要意义。通过将花岗岩试件加热至3种高温（200,400,600 ℃）,并采用3种方法冷却,研究了温度冲击对花岗岩物理性质的影响;使用分离式霍普金森压杆研究了温度冲击对花岗岩动态拉伸特性的影响,发现其动态拉伸强度随加热温度和冷却速率的增大而减小;使用高速摄影仪记录试件拉伸破坏时的裂纹形态,结合碎块形态,分析温度冲击对花岗岩的损伤程度,得出200 ℃加热条件下花岗岩不产生温度冲击,而在400 ℃和600 ℃加热条件下,花岗岩损伤程度随加热温度和冷却速率的增大而增大。     

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。     

热处理温度对热镀锌双相钢组织和性能的影响

对不同温度热处理的两种热镀锌双相钢的组织和性能进行了测试,研究了热处理温度对热镀锌双相钢组织和性能的影响,结果表明:在780 ℃热处理时,组织中存在一定比例的珠光体组织,当热处理温度在800 ℃以上时,组织为铁素体 马氏体.热镀锌双相钢的屈服强度随热处理温度的升高而降低,当热处理温度从780 ℃上升到800 ℃时,屈服强度急剧下降.屈强比随热处理温度的升高而降低,当热处理温度从780 ℃上升到800 ℃时,屈强比急剧下降.     

考虑不同初始状态的黄河泥沙三轴静力剪切特性试验

开展了一系列静态三轴剪切试验,研究了不同初始条件（围压、密实度）以及不同试验条件（剪切速率、排水条件）对黄河泥沙静力强度以及变形特性的影响,得到了黄河泥沙的应力应变曲线发展规律,以及应力路径、抗剪强度包线、应力比曲线和不同特征状态下的内摩擦角分布、初始剪切模量以及极限偏应力等指标.结果表明：黄河泥沙的抗剪强度对围压、密实度以及排水条件更为敏感,具体而言,峰值强度、临界强度均随着围压与密实度的提高而增大,不排水条件下的抗剪强度大于排水条件;不排水条件下孔压的发展与排水条件下的剪胀特性具有对照关系,但孔压较剪胀特性发展得更为迅速,并且得到黄河泥沙的特征状态内摩擦角分布区间介于22.6°到38.1°之间.本研究可以为黄河泥沙在路基工程中的资源化利用提供数据和理论参考.     

热处理对非掺杂半绝缘GaAs本征缺陷和电特性的影响

在950℃和1120℃温度下,对非掺杂（ND）半绝缘（SI）液封直拉（LEC）GaAs单晶进行了不同砷气压条件的热处理,研究了热处理对本征缺陷和电特性的影响。在950℃和低砷压条件下进行14h热处理,可在样品中引入本征受主缺陷并导致体霍尔迁移率大幅度下降和体电阻率明显增加。这些受主缺陷的产生是由于高温和低砷压条件下GaAs晶体中发生砷间隙原子的外扩散,提高热处理过程中的砷气压。可以抑制这些受主缺陷的产生和电参数的变化,真空条件下,在1120℃热处理2-8h并快速冷却后,可使样品中的主要施主缺陷EL2浓度下降近一个数量级,提高热处理过程中的砷气压,可以抑制EL2浓度下降,这种抑制作用是由于高温,高砷压条件下GaAs晶体发生了砷间隙原子的内扩散。     

热暴露对铸造TiAl合金表面完整性及拉伸性能的影响

分析了热暴露温度、时间对TiAl合金表面完整性及室温拉伸性能的影响。结果表明,热暴露温度为700℃时,热暴露后试样表面残余压应力有所降低,温度升高至750和800℃时,试样表面残余压应力变化不大。经750和800℃热暴露后,试样表面生成厚度均匀的多重表面层;观察热暴露后试样断口可以观察到沿表面层和基体界面的连续裂纹和表...     

热处理对Gx180CrWV-20铸造合金高温磨损特性的影响

研究了Gx180CrWV-20铸造合金在不同热处理条件下组织结构和硬度的变化以及热处理温度和磨损试验温度对其高温磨损性能的影响。结果表明，1050℃淬火 480℃回火可使该合金在600℃以下的高温工况条件下具有较好的高温磨损特性。     

高应变率下红砂岩"冻伤效应"

对低温冻结红砂岩进行动态冲击实验,研究高应变率下红砂岩动态力学特性的温度效应,运用损伤理论和能量理论,分析不同负温对红砂岩强度、损伤变量及能量耗散的影响,结合断口形貌分析,探究红砂岩在较低负温下动态力学强度出现劣化的原因.研究表明:较低的负温(-30℃后)会使红砂岩出现"冻伤",导致高应变率下岩石动态力学强度的急剧降低,宏观上则容易出现动力扰动下的瞬时工程灾变.根据断口形貌分析,较低的负温会导致红砂岩内部组成物质间界面处生成大量裂纹,这些裂纹尖端塑性变形能力差,在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏,而胶结物由于组成矿物成分复杂更易受负温影响,因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏,进而引起红砂岩整体的破裂.      

热处理对WC/钢复合材料高温磨损特性的影响

研究了WC／钢复合材料在不同热处理条件下组织结构和硬度的变化，研究了热处理温度对材料高温磨损性能的影响。结果表明，WC／钢复合材料经1050℃淬火及480℃和640℃回火后具有较好的高温磨损特性。     

GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制

空气环境对高温合金在高温下的损伤行为有显著影响.为了研究标准热处理态GH4169合金在高温疲劳裂纹扩展过程中的微观损伤机制,在空气环境中进行650℃、初始应力强度因子幅ΔK=30 MPa·m1/2和应力比R=0.05的低周疲劳裂纹扩展试验.使用扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)对试样的断口、外表面和剖面进行观察和分析.实验结果表明:疲劳主裂纹以沿晶方式萌生并扩展,随后沿晶二次裂纹出现,并且其数量和长度沿主裂纹方向逐渐增加,进入快速扩展阶段后,断口呈现韧窝组织形貌;在裂纹扩展过程中,δ相与基体的界面发生氧化,使得沿晶二次裂纹沿界面扩展并产生偏折,从而起到阻碍二次裂纹扩展的作用;试样外表面的主裂纹周围出现晶界氧化损伤区,其尺寸和晶界开裂程度沿主裂纹扩展方向逐渐增大.      

HTRB600级高强钢筋高温下的力学性能

为研究600 MPa级高强钢筋高温下的力学性能,对HTRB600级热处理高强钢筋进行高温下的拉伸试验,分别测得其在20,200,300,400,500,600,700及800℃高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极限强度及应力-应变曲线.试验结果表明:HTRB600级高强钢筋高温下屈服强度、极限强度、比例极限与弹性模量均随着温度的升高而显著降低.500℃时其高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度与极限强度降低为不足常温下的50%,800℃时已不足常温下的10%.高温下HTRB600级高强钢筋应力-应变曲线随温度的升高逐渐趋于圆滑,当温度达到200℃时,屈服台阶就已消失.600 MPa级钢筋高温下屈服强度和极限强度的降低程度明显大于其他钢筋500 MPa以下强度的钢筋.最后提出了适用于HTRB600级高强钢筋的高温下应力-应变曲线简化计算模型.      

-35℃低温下珠光体/贝氏体钢轨磨损与滚动接触疲劳行为研究

高寒地区铁路钢轨面临着低温服役环境,低温下钢轨的滚动磨损与损伤行为是影响其服役安全的重要因素。通过轮轨滚动接触模拟试验研究了-35℃温度下珠光体（亚共析钢和共析钢）和贝氏体钢轨磨损与滚动接触疲劳（RCF）损伤行为。结果表明,贝氏体钢轨在-35℃试验温度下硬化程度较低,导致磨损程度高于珠光体钢轨,珠光体钢轨中亚共析钢轨磨损程度低于共析钢轨;三种钢轨存在不同程度的RCF损伤,疲劳裂纹主要以小角度（<10°）扩展。磨损和RCF存在竞争关系,磨损较小的亚共析钢轨RCF损伤严重,共析钢轨次之,磨损最严重的贝氏体钢轨RCF损伤最轻微。     

外荷载下青砂岩声发射特征及损伤演化规律

为分析青砂岩（QSY）在外荷载下的声发射特征及损伤演化规律，在声发射基础上，根据岩石损伤演化的自组织性、丛集行为及幂律分布特性，结合砂岩结构特征、分形理论和Weibull分布函数，建立了青砂岩损伤二维元胞模型。结果表明：青砂岩试样在荷载后期的塑性变形阶段轴向应力曲线发生线性突变是试样发生破坏的最终结果，破坏值为48.5 MPa，该阶段因微裂隙贯通形成大裂隙，存在事件率缺失现象，该现象为试样破坏前兆特征，破坏方式主要为单斜面和双斜面剪切破坏，形成剪切裂纹；试样受载损伤的3个阶段与AE信号表现特征存在类同，在损伤萌生阶段试样因受矿山生产影响内部存在微缺陷，在此阶段形成损伤演化现象，但间隔损伤值为0.41，未达到所建立元胞模型的不稳定损伤值（0.43），未发生破坏；随着损伤值增大至0.599时（大于0.43），试样发生失稳破坏，损伤值快速增长至1。根据岩石损伤演化相关规律和理论建立的二维元胞模型，能够反映青砂岩在外荷载下受力破坏过程和损伤演化规律，为相关研究提供参考和借鉴。     

TA17钛合金热力学行为及加工特性研究

为了研究TA17钛合金热轧条件下的高温变形行为及热加工特性,在热模拟机上开展变形温度为700~1100℃、应变速率为1~40 s~(-1)条件下的热压缩实验,建立基于Arrhenius模型的本构方程,以及应变分别为0.3和0.6时的热加工图,结合热变形显微组织分析,研究该合金的热塑性变形机制。结果表明:TA17钛合金流变应力随着变形温度的升高而降低,随着应变速率的升高而升高。在温度为800~1000℃、应变速率为1~10 s~(-1)时,材料的变形机制主要为动态再结晶;温度为1000~1100℃、应变速率为1~10 s~(-1)时,材料发生动态回复;温度为700~800℃或1000~1100℃、应变速率大于20 s~(-1)时,材料产生绝热剪切带;温度为700~800℃,应变速率为1~5 s~(-1)时,材料易产生裂纹。得出该合金较优的热轧工艺参数为:变形温度800~1000℃,应变速率1~10 s~(-1)。     

劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性

通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验，结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析，探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系。结果表明:基于RA（上升时间与幅值的比值）和AF（平均频率）的变化趋势，不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹）的分布和破坏强度受岩石结构影响，但岩石裂纹演化过程不受其影响。相应地，两种岩样破裂信号均以400～499 kHz为主，100～199 kHz的信号次之，但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同。在微观形貌上，花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主；而大理岩以光滑多面体状为主。此外，结合频率?尺度缩放关系可推测，400～499 kHz的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂；100～199 kHz的信号应主要来自石英矿物颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移。      

汽车用1180MPa级F/M高强双相钢板坯高温热塑性研究

采用Gleeble3500热模拟试验机在温度区间650～1300℃对汽车用1 180 MPa级F/M双相高强钢进行高温热塑性研究,绘制热塑性曲线并对高温拉伸试样断口和显微组织进行观察。试验结果可知:该钢种在试验温度范围内存在1个脆性区,即910～675℃区间,800℃时断面收缩率达到最小值28.76%,在熔点～910℃温度区间内呈现良好塑性,断面收缩率均在60%以上;高温塑性区较窄,第Ⅲ脆性区"布袋"曲线明显且范围较大,该钢种裂纹敏感性高。断口观察可知,950℃和650℃断口均具有典型韧窝特征,属于韧性断裂;800℃断口为沿晶和解理混合型断口,属于典型脆性断裂。650℃断裂主要由先共析铁素体沿原奥氏体晶界析出引起,800℃脆性断裂主要由晶界弱化导致,1 050℃以上高温热强度低,拉伸超过材料所承受的最大强度而发生缩颈断裂。为避免板坯在矫直段产生裂纹,铸坯矫直温度应控制在950℃以上,避开第Ⅲ脆性区(910～675℃)。