全层TiAl合金裂纹扩展阻力的研究

本文通过对直缺口两个层团厚度拉伸试样的扫描电镜原位拉伸实验、相应的断裂表面观察以及有限元计算研究了全层铸状TiAl基合金组织的裂纹扩展机理.研究表明:为了扩展主裂纹,外加载荷需要增加.外加载荷的增加一方面归功于试样表面观察到的主裂纹并没有穿透整个试样厚度,另一方面因为应力场由缺口控制,只有随着外加载荷的增加,扩展的裂纹尖端才保持一定的应力.当两个层团的位向使裂纹从沿层扩展过渡到穿层扩展时,裂纹扩展阻力才提高.     

基于微观结构的热喷涂WC/Co涂层裂纹生长模拟

涂层微观结构特征直接影响涂层的寿命,基于涂层微观结构研究涂层裂纹扩展特征成为评价热喷涂层性能的重要问题.本文基于WC/Co涂层微观结构建立了有限元模型,并采用XFEM方法研究了单应力状态预存裂纹行了模拟,获得了涂层微观裂纹扩展的损伤规律.研究表明:在拉应力作用下,沿着WC-Co边界产生的应力集中是涂层裂纹产生的根源;WC/Co涂层浅表面(0.125b,b为涂层厚度)的水平裂纹对垂直拉应力敏感、吸收能量快,0.78b处的裂纹扩展后对应力响应迅速,因此0.125b与0.78b是WC/Co涂层裂纹生长的关键深度;在0.78b处,当初始裂纹角度0°～45°时,扩展位移逐渐减小,扩展偏转角增大,45°时存在能量积累导致角度快速偏转.在周期应力作用时,WC/Co涂层的疲劳周期随应变幅值增加而减小;应变幅值相同时,WC/Co涂层的疲劳周期随频率增加而增加.     

磁控溅射制备内燃机用Ti600合金表面CrN/NbN涂层的性能表征分析北大核心CSCD

为了提高内燃机用Ti600合金表面性能,通过脉冲磁控溅射的方式在其表面制备CrN/NbN涂层,分析了涂层组织结构与电压、占空比的关系。研究结果表明:在CrN/NbN涂层内形成了许多柱状外形的组织成分,并且当占空比以及电压提高后,形成了致密度更大的CrN/NbN涂层。厚度随着占空比和电压的增加表现出明显的增加规律,在占空比10μs和电压400 V时,涂层厚度最大值12μm左右。随着占空比和电压的增加,硬度和弹性模量均表现出单调增加。在占空比10μs和电压400 V时,涂层硬度和弹性模量达到最大值,分别为35.6和31.7 GPa。随着占空比增加,残余应力表现出单调减小;随着电压的增加,残余应力表现出先减小后增加,最小值发生在电压380 V时。各涂层试样都产生了具有完整结构的压痕,没有发生膜与基体剥离的情况。随着占空比和电压进一步增大,在试样的压痕边缘部位产生环状分布的裂纹。     

磁控溅射制备内燃机用Ti600合金表面CrN/NbN涂层的性能表征分析

为了提高内燃机用Ti600合金表面性能,通过脉冲磁控溅射的方式在其表面制备CrN/NbN涂层,分析了涂层组织结构与电压、占空比的关系。研究结果表明:在CrN/NbN涂层内形成了许多柱状外形的组织成分,并且当占空比以及电压提高后,形成了致密度更大的CrN/NbN涂层。厚度随着占空比和电压的增加表现出明显的增加规律,在占空比10μs和电压400 V时,涂层厚度最大值12μm左右。随着占空比和电压的增加,硬度和弹性模量均表现出单调增加。在占空比10μs和电压400 V时,涂层硬度和弹性模量达到最大值,分别为35.6和31.7 GPa。随着占空比增加,残余应力表现出单调减小;随着电压的增加,残余应力表现出先减小后增加,最小值发生在电压380 V时。各涂层试样都产生了具有完整结构的压痕,没有发生膜与基体剥离的情况。随着占空比和电压进一步增大,在试样的压痕边缘部位产生环状分布的裂纹。     

热障涂层HCPEB改性过程中的应力研究

通过有限元分析软件Abaqus,采用三维模型,对热障涂层表面强流脉冲电子束改性过程进行了数值模拟,分析了电子束轰击过程温度变化以及涂层系统内部应力的分布情况。结果表明,随着外界能量的增加,涂层温度随着涂层厚度的增加而减小;当外界能量消失,冷却过程中,由于涂层表面和周围的热辐射和热扩散作用,陶瓷层表面最先冷却,此时陶瓷层内部温度略微升高,之后陶瓷层内部热能通过陶瓷层表面进行释放,最后整个涂层冷却至室温,温度随时间变化率高达106~107K/s。冷却至室温时,应力随陶瓷层厚度的增加呈先减小后增加的趋势,而在涂层表面径向应力先减小后增加,达到0.5 MPa后,应力开始减小至稳态值。     

激光熔覆Ni 基金属陶瓷复合涂层的裂纹研究

利用激光熔覆技术在中碳钢表面制备了不同涂层成分的原位自生TiB₂ / Ni 金属陶瓷复合涂层, 研究了涂层的开裂行为。结果表明: 当陶瓷相含量高时, 涂层中形成的裂纹主要有粘接金属基体中的穿晶裂纹、熔覆层边缘的高密度裂纹、金属基体与硬质陶瓷相界面上的微裂纹以及热影响区中结合界面附近的微裂纹等。涂层中的裂纹主要是由涂层材料与金属基体热膨胀系数不同而造成的热应力产生的, 组织转变应力也起了重要作用。当激光工艺参数及涂层成分配制合理时, 涂层质量良好。      

应力比对K55套管钻井钢疲劳裂纹扩展性能的影响

利用电液伺服疲劳实验机及SEM研究了应力比对K55套管钻井钢疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明:应力比对裂纹失稳区起始点对应的应力强度因子范围△K值具有显著的影响.随着应力比的增加,裂纹扩展失稳区起始点对应的裂纹扩展速率具有显著的降低,疲劳裂纹扩展门槛值也呈现显著的降低趋势.当疲劳裂纹逐渐由Paris区过渡到失稳扩展区,平均载荷逐渐取代应力强度因子幅度△K作为裂纹扩展的主导驱动力.当裂纹扩展至拉伸过载区,断口表面则呈现明显的冲击断裂特征.     

热障涂层HCPEB改性过程中的应力研究（英文）

通过有限元分析软件Abaqus,采用三维模型,对热障涂层表面强流脉冲电子束改性过程进行了数值模拟,分析了电子束轰击过程温度变化以及涂层系统内部应力的分布情况。计算结果表明,随着外界能量的增加,涂层温度随着涂层厚度的增加而降低;当外界能量消失时,冷却过程中,由于涂层表面和周围的热辐射和热扩散作用,陶瓷层表面最先冷却,此时陶瓷层内部温度略微升高,之后陶瓷层内部热能通过陶瓷层表面进行释放,最后整个涂层冷却到室温,温度随时间变化率高达106~107 K/s。冷却至室温时,应力随着陶瓷层厚度的增加呈现先减小后增大的趋势,而在涂层表面径向应力先减小后增大,达到0.5MPa后,应力开始减小至稳态值。     

铁磁材料零件疲劳损伤磁记忆检测方法的实验

通过对优质碳素钢做疲劳拉伸实验,研究在交变应力作用下,铁磁材料的表面磁场强度垂直分量的变化.实验研究表明:磁场强度垂直分量过零点不能完全表征应力集中位置.磁场强度梯度的变化与疲劳循环次数有一定关系.随着加载及应力循环次数的增加,沿试件轴线方向各点的磁场强度出现一定的规律性变化,前期各点变化趋势基本一致,当试件出现微小裂纹时,以裂纹点为分界出现相向变化,在远离裂纹的测点也存在同样的趋势.扩展成宏观裂纹时,裂纹处及端面达到磁饱和状态,产生较强的漏磁场,磁场强度在裂纹两侧出现正负两个区域,出现过零点.     

胶粘陶瓷涂层中氧化锌含量对涂层显微组织的影响

用高温胶粘剂制备胶粘陶瓷涂层施工简易,但制备温度过高时涂层易起泡开裂;纳米氧化锌可与磷酸二氢铝胶粘剂迅速反应以降低涂层制备温度。以磷酸二氢铝为胶粘剂,氧化铝、氧化锆和硅酸锆为陶瓷骨料,高铝水泥为固化剂,氧化铬为消泡剂,纳米氧化锌为表面调和剂,在45钢表面制备了胶粘陶瓷涂层。采用光学显微镜观察了不同氧化锌含量的陶瓷涂层表面的裂纹长度和深度,并基于液滴观测法,研究了不同氧化锌含量的陶瓷涂层的孔隙率。结果表明:随氧化锌含量的增加,胶粘陶瓷涂层表面裂纹的长度和深度先增加后减少,气孔率逐步减少;当氧化锌含量为1.6 g时,获得了致密、无开裂、无气孔的陶瓷涂层。     

基于表面超声波无损评价激光熔覆层厚度的实验研究

针对目前激光熔覆层厚度无损评价的重要性,本工作结合表面超声波在介质中的传播特性对其进行测量,并在互相关函数基础上对熔覆层厚度进行了表征和评价。结果表明:随着激光熔覆层厚度的增加,表面超声波在其中的传播速率逐渐变小,在互相关函数计算微小时间差的基础上,建立了可用于评价激光熔覆层厚度的厚度-时间差关系曲线,并采用三次多项式对其进行拟合,进而得到可用于评价激光熔覆层厚度的拟合公式。最后采用不同厚度的激光熔覆层试样对拟合结果进行了验证,并同时对影响计算结果的因素进行了分析。结果表明:采用该方法对激光熔覆层厚度进行评价是可行的。     

初始应力对瑞利波无损评价45钢表层应力的影响

基于瑞利波声弹效应理论,在瑞利波无损表征45钢表层应力的基础上分析了45钢表层初始应力状态对应力评价结果的影响。采用声程固定不变中心频率为5MHz的双瑞利波探头对45钢表层应力进行评价,在归一化互相关函数基础上计算了应力引起的瑞利波信号间时间差。结果表明:初始应力不会影响瑞利波在45钢表层中传播速度随拉伸应力的变化规律,即随拉伸应力的增加,瑞利波在45钢表层中的传播速度基本呈线性规律增加,当应力达到一定值时,再随应力的增加,瑞利波传播速度不再呈线性规律变化;但初始应力和去应力退火状态45钢的名义瑞利波声弹性系数不同,分别为0.838和1.041,最大时间差对应的应力值也不同,去应力退火前后应力评价结果的误差约为22%。     

缺陷/应力交互对碳钢L_(cr)波声弹性系数的影响

基于L_(cr)波声弹性理论,探讨缺陷及其尺寸对L_(cr)波评价应力的影响机理。结合"当量法"预制不同直径盲孔,采用互相关系数函数计算L_(cr)波时间差,通过线性拟合得到L_(cr)波声弹性系数,基于弹塑性变形和圆孔应力集中理论澄清盲孔直径对L_(cr)波声弹性系数的影响机理。结果表明:各直径盲孔L_(cr)波时间差随应力增大基本呈线性增加,但其非线性特征亦逐渐明显,线性阶段的最大应力值小于试样屈服强度;L_(cr)波声弹性系数随盲孔直径增大逐渐减小,并趋于平稳。分析认为,盲孔应力集中是导致上述结果的主要原因,试样各向异性组织及盲孔深度也是其重要因素。     

爆炸应力波在含层理介质中传播规律的实验研究

采用超高速数字图像相关实验系统,进行了爆炸应力波在含层理结构的PMMA试件中的传播试验,分析了全场应变的演化过程和相关测点的应变时程变化。实验结果表明:爆炸应力波在含有层理的介质中传播时,层理远区的应力波衰减幅度比层理近区的应力波衰减幅度大。通过应变云图的演化过程发现,应力波遇到层理后会发生反射,入射拉伸波与反射拉伸波叠加形成了较强的拉伸集中区,并沿着层理向两端扩展逐步减弱。此外,通过数据拟合得到了层理内、外侧的应变峰值衰减规律,应变峰值的衰减随距离基本是线性的,且层理内侧的应变衰减速度大于层理外侧的。     

基于声学法测温的声波飞渡时间研究

声波飞渡时间的准确测量是声学法测温中影响温度场测温准确性的主要因素。采用互相关分析法计算单一频率声波信号及宽带频率声波信号的声波飞渡时间,仿真结果表明宽带频率信号由于具有较强的抗噪能力在计算声波飞渡时间时不受声波信号周期、信号延时时间等因素的限制,可用于工程实践。同时采用频率为40kHz的正弦波超声波探测器在均匀温场条件下对超声波信号的衰减程度进行试验研究,试验结果表明40kHz的正弦波超声信号在不经过放大处理条件下,其可测温场的距离仅为160mm。     

3D C/SiC复合材料拉伸性能的声发射研究

采用声发射平均频率和相对能量以及幅值识别了3D C/SiC复合材料的拉伸损伤模式, 探讨了拉伸加卸载过程中材料的费利西蒂(Felicity)效应。通过分析具有不同拉伸性能试样的损伤过程, 研究了不同损伤模式的时间分布特征对材料拉伸性能的影响关系。分析结果表明, 3D C/SiC复合材料中基本不存在凯瑟(Kaiser)效应, Felicity比随着应力水平的升高而降低, 相对应力水平高于65%时出现突降。3D C/SiC复合材料高性能的决定性因素不是声发射波击总数, 而是高幅高能量信号发生的时间和次数。在加载前期(应变<0.15%)损伤较少是材料高强度的必要条件, 纤维簇断裂在加载中后期的分散分布有利于提高拉伸强度。      

不耦合装药混凝土中应力波传播的数值分析

运用有限元软件对不耦合装药条件下混凝土中应力波传播进行数值分析,分析了应力波随时间的衰减曲线和速度时间曲线,得出应力波通过水介质传到混凝土中压力均匀、强度衰减较缓慢、传播距离较远,以及炮眼周围混凝土的破坏形态.解释了混凝土自由面在拉应力波作用下的层裂现象.模拟结果对爆破理论和物探方面具有一定的参考价值.     

基于广义倒谱的相关算法在声学温度检测系统中的应用

声温法是基于声波与CT技术相结合的非接触测温法,声波信号飞渡时间的精确测量是温度场检测的关键环节。在复杂混响的背景环境下,传统的相关算法已无法克服卷积性干扰,可能会出现多相关峰值的处理结果。基于广义倒谱的相关分析算法在声温法温度检测应用中,利用倒谱运算将乘积同态系统与卷积同态系统变换成线性系统,从而分离乘积信号或卷积信号,并滤除乘积性干扰与卷积性干扰。理论与实验测量表明,与传统相关函数分析算法进行比较,新倒谱算法能够有效地克服混响的卷积干扰,并锐化峰值,从而准确估计出声信号的时延。     

Acoustoelastic effect in stressed heterostructures

Mechanical stresses influence the phase velocity of acoustic waves, known as the AE (acoustoelastic) effect. In order to calculate the AE effect of biaxially stressed layered systems, we extended the transfer matrix method for acoustic wave propagation by considering the change of the density, the influence of residual stress, and the modification of the elastic stiffness tensor by residual strain and by third-order constants. The generalized method is applied to the calculation of the angular dispersion of the AE effect for transverse bulk modes and surface acoustic waves on Ge(001). Our calculations reveal that the AE effect significantly depends on the propagation direction and can even change sign. The maximal velocity change occurs for transversally polarized waves propagating parallel to the [110] direction. For the layered Ge/Si(001) system, the AE effect is investigated for Love modes propagating in the [100] and [110] directions. The AE effect increases rapidly with increasing layer thickness and almost reaches its maximal value when the wave still penetrates into the unstressed substrate     

A new point contact surface acoustic wave transducer for measurement of acoustoelastic effect of polymethylmethacrylate

A new acoustic transducer and measurement method have been developed for precise measurement of surface wave velocity. This measurement method is used to investigate the acoustoelastic effects for waves propagating on the surface of a polymethylmethacrylate (PMMA) sample. The transducer uses two miniature conical PZT elements for acoustic wave transmitter and receiver on the sample surface; hence, it can be viewed as a point- source/point-receiver transducer. Acoustic waves are excited and detected with the PZT elements, and the wave velocity can be accurately determined with a cross-correlation waveform comparison method. The transducer and its measurement method are particularly sensitive and accurate in determining small changes in wave velocity; therefore, they are applied to the measurement of acoustoelastic effects in PMMA materials. Both the surface skimming longitudinal wave and Rayleigh surface wave can be simultaneously excited and measured. With a uniaxial-loaded PMMA sample, both acoustoelastic effects for surface skimming longitudinal wave and Rayleigh waves of PMMA are measured. The acoustoelastic coefficients for both types of surface wave motions are simultaneously determined. The transducer and its measurement method provide a practical way for measuring surface stresses nondestructively.