含倾斜裂纹三点弯动态断裂试验研究

为研究冲击荷载下巷道围岩不同角度径向裂纹的破坏机制,采用落锤冲击加载平台和数字激光动态焦散线实验系统,以有机玻璃为试验材料,设计冲击荷载下半圆孔上不同角度裂纹的三点弯动态断裂试验,记录预制裂纹的角度α的改变对裂纹动态力学行为的影响,通过分析动态应力强度因子和裂纹扩展轨迹的分形维数对实验现象进行归纳总结。研究发现:①预制裂纹角度对裂纹尖端应变能的积累和释放的快慢有较大影响,随着角度的增大,起裂时间变短,起裂更容易,裂纹尖端应变能积累的更快;②裂纹尖端应变能释放的快慢在α=45°两侧表现出不同的规律;③不同角度裂纹的Ⅰ型动态应力强度因子随时间的变化规律具有相似性,但最大值却具有差异性;④不同角度裂纹的扩展轨迹满足一定的分形规律。     

基于分形理论不同装药量的爆破动焦散线实验研究

为研究装药量对爆生裂纹扩展行为的影响。采用透射式数字激光动态焦散线实验系统,分析了不同装药量的爆生裂纹扩展规律,并基于计盒维数的计算原理,编写MATLAB程序计算爆生裂纹的分形维数。结果表明:①起爆后裂纹扩展分2阶段,Ⅰ阶段(0～114.3μs)为爆炸应力波与爆生气体对裂纹尖端的作用,在裂纹的起裂时刻扩展速度达到峰值,随即迅速降低;Ⅱ阶段(114.3μs～裂纹止裂)在反射应力波对裂纹尖端的作用下,裂纹扩展速度继续提升;②裂纹扩展速度峰值、动态应力强度因子峰值、粉碎区面积、爆生裂纹分形维数与装药量正相关;③采用回归分析与线性拟合的方法,得到了裂纹扩展速度与裂纹扩展轨迹分形维数的线性关系,同一裂纹扩展速度的变化符合分形规律。     

圆孔缺陷对爆生裂纹扩展行为影响的试验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸荷载作用下空孔缺陷对裂纹扩展行为的作用关系,以及裂纹扩展行为的规律。结果表明:在爆炸载荷作用下,空孔缺陷能够促使预制裂纹起裂并扩展,且空孔对爆生裂纹扩展方向有明显的导向作用;当爆生裂纹向空孔扩展时,空孔对爆生裂纹扩展行为有促进作用,使爆生裂纹与空孔贯通时速度和应力强度因子值增大;次生裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子值都小于爆生裂纹相应值,且次生裂纹扩展初始阶段速度最大,裂纹的起裂韧度在0.8~1.1 MN/m~(3/2);随着空孔直径的增大,次生裂纹扩展长度先增大后减小,说明存在一个最优的空孔尺寸,使次生裂纹扩展距离最大,对裂纹扩展的促进作用最为显著。     

基于CT图像的再生混凝土细观破坏裂纹分形特征

为深入研究再生混凝土的破坏形态和内部裂纹扩展情况与普通混凝土之间的差异,以不同再生粗骨料(RCA)取代率的再生混凝土为研究对象,利用Phoenix v | tome | x s240微焦点工业CT获取再生混凝土加载到90%预估破坏荷载的二维扫描图像,借助Photoshop CS6图像处理软件,对材料内部破坏裂纹进行提取,进而基于分形几何理论,以分形维数及多重分形谱表征裂纹的分形扩展规律,建立分形维数和多重分形谱特征参数与RCA取代率和再生混凝土抗压强度的关系。结果表明:再生混凝土的细观受力破坏模式与普通混凝土不同,其受力破坏形态不仅取决于粗骨料与水泥浆体的界面黏结强度,还取决于RCA自身性能,当裂纹发展至天然粗骨料或强度较高的RCA时会绕过骨料表面继续发展,发展至强度较低的RCA时会贯穿骨料;分形维数可定量描述混凝土材料内部细观裂纹的整体扩展情况,即裂纹越丰富,分形维数越大;多重分形谱可反映从局部到整体不同层次的细观裂纹特征,裂纹分形维数和多重分形谱特征参数均与RCA取代率呈线性下降关系,与抗压强度呈线性增长关系;本研究可为再生混凝土在大型结构工程中的广泛应用奠定理论和实验基础。      

单相fcc金属晶内裂纹萌生与扩展的TEM原位分析

用ＴＥＭ拉伸方法,对具有ｆｃｃ结构的３０４Ｌ钢,进行了晶内裂纹萌生与裂纹志愿的原位观察,结果表明：晶内开裂时首先形成无位错区,裂纹在无位错区 形成,裂尖护 裂尖前晶面变形行为由原位观察和原位选区衍射的结果进行分析,裂纹沿（１００）晶面扩展时,裂尖前（１００）同发生倾转,（１１１）晶面局部弹性弯曲,裂尖钝化;（１００）倾声讨在以致开裂,钝化裂尖扩展,（１１１）局部弯曲有所恢复。     

扩展裂纹端变形的有限元计算结果和分析

本文使用与试样几何、加载类型一致的模型,用节点漂移和节点松驰相结合的方法模拟裂纹扩展,进行了扩展裂纹端变形的弹塑性有限元计算。结果表明,在裂纹稳定扩展过程中,裂尖后方微小距离γ_m处,裂纹上、下表面间的张开位移δ_m和裂尖张开角(CTOA)_m均为常值,与实验结果相符。这说明控制裂纹扩展的因素是δ和CTOA,它们应是描述裂纹稳定扩展过程的参量。     

内嵌弹性区和结合力模型在薄膜/基底界面断裂中的应用

薄膜/基底结构是微电子学和材料科学中广泛应用的典型结构。由于加工工艺中材料力学、热学性能失配等原因导致的薄膜中出现的残余应力,是界面裂纹的萌生和扩展的重要原因。采用三参数(Γ₀, /σ_y,t)的修正的断裂过程区结合力模型,讨论了在塑性氛围下裂尖解理断裂的过程,裂尖应力分布,裂尖形貌和表征裂纹尖端断裂过程区特征参数对断裂过程的影响,并应用到均质金属薄膜/陶瓷基底结构中残余应力导致界面裂纹起裂和扩展的全过程分析中。     

单晶γ-TiAl合金中裂纹沿[111]晶向扩展的分子动力学研究

为了从微观角度探索γ-TiAl合金中特定晶向的裂纹扩展机理,研究了γ-TiAl合金中[111]晶向微裂纹扩展的过程及其断裂机理。首先在单晶γ-TiAl合金中预置[111]晶向的微裂纹,然后通过分子动力学方法模拟该裂纹的扩展过程,最终分析了裂尖原子组态变化、微裂纹扩展路径以及应力-应变情况。研究表明,该晶向的微裂纹不是沿直线扩展,而是启裂时裂尖发生偏转,表现出明显的取向效应;微裂纹以裂尖发射滑移位错以及裂尖上形成孪晶的方式进行扩展;受边界的影响,微裂纹扩展到一定阶段会在边界位错堆积处萌生子裂纹,且扩展机制与主裂纹类似;在两个裂纹尖端发射滑移位错的相互作用下,在主裂尖前端再次萌生子裂纹,最终主、子裂纹相连导致断裂;微裂纹扩展过程中的应力分布主要集中于裂尖和扩展过程中形成的孪晶面上,并且随着微裂纹的扩展,裂尖应力值随时间的增大而减小。     

材料不均匀层对垂直裂纹的作用

界面层(或界面相)断裂行为是复合材料细观力学的一个重要问题。本文研究裂纹垂直侵入双材料之间刚度性质呈单调变化的界面层的断裂问题。近似分析与大规模有限元计算均表明:当裂纹从软相一侧跨越界面层时,裂尖应力强度因子不断上升;当裂纹从硬相一侧跨越界面层时,裂尖应力强度因子不断下降。      

A537钢疲劳裂纹扩展单次拉伸超载效应及裂尖形变,裂纹闭合行为

研究了恒定ΔＫ条件下，单次拉伸超载对Ａ５３７钢疲劳裂纹扩展速率的影响，并利用激光散斑技术原位研究超载前后的裂尖应变场，裂纹闭合效应。结果表明：超载后裂纹闭合效应呈增强趋势，裂尖应变呈下降趋势。伸超载有阻滞裂纹扩展的作用。     

冲击荷载下深梁动态断裂行为的光弹性实验

采用动态光弹性实验方法,对简支深梁进行冲击实验,研究其冲击动态断裂行为。实验得到了冲击断裂过程中深梁的等差条纹变化图片,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。研究结果表明:由于应力波的作用,在试件开裂前,预制裂纹尖端应力强度因子KdI始终呈波动上升的趋势,最大值为1.995MPa·m~(1/2);试件起裂后,裂尖动态应力强度因子KdI先迅速下降,然后保持在1.222~1.677 MPa·m~(1/2)内震荡,平均值为1.458 MPa·m~(1/2);裂纹起裂后,扩展速度先迅速增大,后保持在310~380 m/s,动态裂纹基本呈匀速扩展,平均扩展速度为345.703 m/s。     

裂纹止裂技术及裂纹动态扩展规律研究

为了对动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂缝动态扩展行为进行研究,提出了一种大尺寸带V型底边的半圆边裂纹(SECVB)试件,其V形底部具有止裂功能。SECVB试件的V形底部设计为180°,150°和120°三个角度。采用落锤冲击装置进行了冲击试验,并使用裂纹扩展计(CPG)用于测量裂纹扩展的相关参数。利用有限差分程序AUTODYN对裂纹扩展行为进行了数值模拟,并用有限元程序ABAQUS计算了裂纹的动态应力强度因子(DSIF);根据CPG测量的裂纹萌生时间和扩展时间来确定临界应力强度因子。试验和数值模拟结果表明,SECVB试件适合于研究动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂纹扩展行为和止裂行为。在裂纹扩展过程中,裂纹可能在一段时间内止裂,并且裂纹在起始时刻的断裂韧度高于裂纹扩展时的断裂韧度。     

分形计算方法及在材料表界面中的应用

主要介绍分形这一几何方法在材料表界面研究中的应用.通过对国内外文献及资料的查阅了解,分别介绍了材料表界面分形维数的计算测定方法以及分形理论在材料表界面领域中的研究现状.对分维计算方法如网格法、小岛法和实验测定方法(吸附法)等做了详细的分析,对分形在材料表界面上的应用前景也进行了展望,分析了分形理论在表界面应用研究中的可行性.     

求解双材料界面裂纹应力强度因子的扩展有限元法

基于双材料界面裂纹尖端的基本解,构造扩展有限元法(eXtended Finite Element Methods, XFEM)裂尖单元结点的改进函数。有限元网格剖分不遵从材料界面,考虑3种类型的结点改进函数:弱不连续改进函数、Heaviside改进函数和裂尖改进函数,建立XFEM的位移模式,给出计算双材料界面裂纹应力强度因子(Stress Intensity Factors, SIFs)的相互作用积分方法。数值结果表明:XFEM无需遵从材料界面剖分网格,该文的方法能够准确评价双材料界面裂纹尖端的SIFs。     

温度对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响的分子动力学模拟

用分子动力学方法从原子尺度对单晶γ-TiAl合金中心裂纹的扩展机理进行了研究,模拟了不同温度下预制中心裂纹的扩展过程。结果表明:随着温度升高,裂纹的启裂时间变长,启裂应力值分别为5.64GPa、4.58GPa和4.27GPa;裂尖和边界发射的位错数目随温度的升高而增多;温度为300K时,裂纹先脆性扩展,出现分枝后,裂纹通过裂尖发射位错向前扩展,扩展过程为塑性扩展;温度达750K时裂纹出现分枝,扩展过程为塑性扩展,此时的裂纹扩展速率慢于300K时的裂纹扩展速率;950K时裂纹没有出现分枝,扩展过程为塑性扩展且扩展速率最快;三种温度下裂纹扩展过程均出现裂尖钝化与偏折现象。     

SiCw/Al复合材料在TEM下的拉伸行为

在备有拉伸台的透射电镜上原位观察了SiCw/Al复合材料的变形、裂纹萌生及其扩展过程.结果发现,变形初期,位错主要从晶界及SiCw-Al界面处开动,在晶界与晶须周围产生大量位错.裂纹萌生源主要为:(1)材料制备过程中受损伤或破断的晶须;(2)晶须富集区.晶须与晶界对裂纹的扩展有阻碍作用.当裂纹取向与晶须大致垂直时,裂尖在晶须附近钝化然后绕过晶须扩展,当裂纹取向与晶须接近平行时,裂尖在晶须端部附近钝化后沿其一侧扩展.     

定向断裂双孔爆破含缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,进行双孔爆破爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验。研究了含水平预制裂纹和竖直预制裂纹的介质裂纹扩展路径、速度、加速度和裂尖动态应力强度因子变化规律。试验结果表明:在爆炸应力波作用下,预制裂纹尖端起裂,并扩展。炸药爆炸后,主裂纹的扩展速度迅速达到峰值,之后开始振荡减小,其加速度呈现波浪起伏式的振荡变化。次裂纹起裂后速度增大至峰值,然后开始减小。主裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ从峰值振荡减小,又振荡增加至第二个峰值,之后振荡减小。次裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ达到最大时,次裂纹起裂,之后K_Ⅰ振荡减小。裂纹扩展的过程中K_Ⅱ基本都小于K_Ⅰ。     

分形理论在定向凝固固—液界面中的应用

本文叙述了分形理论中镍基高温合金定向凝固固－液界面研究中的应用。从分形的基本理论出发，论证了定向凝固固－液界面是一种不规则的分形结构，并用分形维数的新方法定量地描述了固－液界面和生长形态，给出了界面分形维数与凝固速率之间的关系。发现随着凝固速率的增加，固－液界面的分形维数呈指数规律增加，而且，从热力学角度对分形维数不仅仅是单纯描述不规则图形的几何参量，而是对一个依赖于凝固参数而变化的态函数做了较为     

Fe—3%Si 单晶体裂纹尖端位错行为及氢效应的 TEM 动态观察~*

在透射电镜中对 Fe-3%Si 单晶体薄膜进行拉伸试验,观察了在受力状态下裂纹尖端的位错行为及固溶氢的影响。结果表明,在受力时裂尖会自动发射位错。位错一旦从裂尖发射,便很快离开裂纹尖端以反塞积群形式存在于塑性区中。在裂纹尖端与塑性区之间存在一无位错区(DFZ)。裂纹扩展包括裂尖发射位错的塑性过程以及 DFZ 解理的脆性过程。固溶的氢改变了裂纹尖端的位错分布,促进了位错从裂尖发射,致使 DFZ 的长度减小甚至消失。     

铁素体管线钢的分层裂纹及其对断裂的影响

通过对针状铁素体管线钢缺口根部三维应力状态的有限元分析和不同形式的断裂实验,研究了管线钢分层裂纹产生的条件及其对断裂性能的影响.结果表明裂纹或缺口根部的三维应力状态是产生分层裂纹的必要条件,材料的强度分布影响分层裂纹的形式和方向.分层裂纹均为主裂纹扩展前材料中的弱界面在垂直该弱界面的拉应力作用下产生的,其数量和方向受裂纹端部三维应力场和材料的强度分布状态控制.分层裂纹面上的应力为零,分层裂纹有一定的间距.在断裂过程中产生的分层裂纹使裂纹或缺口根部的构形发生改变,从而对裂尖的应力状态和材料的断裂性能产生巨大的影响.穿透裂纹体的分层裂纹使其有效厚度减小,表面裂纹体的分层裂纹与裂纹扩展方向垂直.在断裂过程中产生分层裂纹需要消耗更多的能量、降低裂端三维应力约束、有效厚度降低或裂尖钝化.这些因素均使断裂扩展更加困难,而使材料韧性得到提高.