钠钙/铝硅酸盐玻璃疲劳行为研究进展

钠钙硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃因高强度和高硬度等优异的物理性能被广泛用于民用和国防军工等领域。疲劳断裂是钠钙/铝硅酸盐玻璃失效的主要形式之一。研究钠钙/铝硅酸盐玻璃的疲劳行为对指导其加工工艺、预测寿命与防止失效具有重要意义。本文综述了硅酸盐玻璃疲劳行为的基本原理、实验方法以及钠钙硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃静态疲劳与动态疲劳行为的国内外研究进展,通过对比钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的疲劳行为发现:钠钙硅酸盐玻璃原片的裂纹萌生门槛值远低于铝硅酸盐原片玻璃的裂纹萌生门槛值,且化学强化钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的裂纹萌生门槛值均随表面压应力的增大而增大;钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的裂纹扩展速率均随假想温度的升高而增加,且铝硅酸盐玻璃的裂纹扩展速率随假想温度的变化更大;钠钙硅酸盐原片玻璃与铝硅酸盐原片玻璃的断裂应力均具有加载速率依赖性,而化学强化铝硅酸盐玻璃的动态疲劳断裂应力不具有加载速率依赖性。因此,应力状态和环境因素对化学强化钠钙/铝硅酸盐玻璃静态疲劳与动态疲劳行为的影响将成为未来研究方向。     

陶瓷材料压痕韧性的统计性质

采用直接压痕法测定了钠钙硅酸盐玻璃和一种ＴｉＣ 颗粒增强Ａｌ_２Ｏ_３复合材料的断裂韧性．研究表明,在同一压痕压制荷载下测得的同一种材料的压痕韧性呈现出较大离散性,可以采用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布加以较好地描述．对两种材料的试验数据的对比分析指出,压痕韧性测试值的离散性反映了材料显微结构的不均匀性对材料局部裂纹扩展阻力的影响．基于这一分析,本文建议采用直接压痕法测定材料断裂韧性时,应尽可能增大试验量,从而对压痕韧性测试结果的统计性质作出完整描述．     

原子吸收法测定钠钙玻璃中常量元素的方法改进

传统原子吸收法测定钠钙玻璃中各元素的标准溶液的配制方法既繁琐且不容易消除干扰。通过实验,我们根据标准钠钙玻璃和样品基体元素相近来消除干扰,改进了配制标准溶液的方法,使标准溶液配制简单易行。     

Ti-Si-N超硬复合表面纳米压痕测量过程的有限元仿真

为了深入了解Ti-Si-N纳米复合表面的力学性能,尝试采用有限元方法对纳米压痕测量的加一卸载过程进行了模拟.详细介绍了该三维有限元仿真过程的各个细节,包括对标准Berkovieh压头的建模和相关参数的确定,以及对Ti-Si-N表面模型边界条件、压头与表面接触方式和加一卸栽方式的处理.采用有限元的非线性算法对一个Ti-Si-N表面纳米压痕测量的实验曲线进行了拟合.通过有限元仿真得到了Ti-Si-N样品的屈服极限和应力-应变关系.该研究表明,采用有限元仿真与纳米压痕测量相结合是研究纳米复合表面非线性塑性性能的有效方式.     

一种用于微米／纳米硬度测试的具有纳米分辨率的压痕成像系统

与包括原子力显微镜在内的其他压痕形貌测量方法相比,光学显微镜以其非接触、大测量范围及较快的测量速度等优点在硬度测试中应用广泛,但包括共焦显微镜在内的常规显微镜其分辨率,特别是纵向分辨率,一直不能满足要求．为此开发了一种沿光轴方向的具有纳米分辨率的压痕成像系统．该系统基于层析全场显微术,即在常规光学显微镜的基础上引入结构光照明．应用移相方法得到样品的三维形貌．成像系统样机的测量结果表明,系统的纵向分辨率可达2nm,可以高精度地实现压痕的三维形貌测量,并量化揭示纳米压痕测试中常见的“坟起（pile-up）”及“沉入（sink-in）”现象．该系统有助于进一步研究显微及纳米硬度计量方法并降低计量的不确定度.     

磷酸二氢钾(KDP)晶体纳米压痕过程的有限元分析

为了求得KDP晶体的应力-应变曲线以及材料的屈服应力,基于圣维南定理和实验得到的材料性能参数建立了KDP晶体的压痕过程仿真模型,利用ABAQUS有限元分析软件对KDP晶体压痕过程进行了有限元仿真,得到了KDP晶体的载荷-位移曲线和加/卸载过程中的等效应力变化规律.仿真结果表明:加载过程中最大应力集中在压头尖角处,卸载后最大应力分布在压头棱边所留下的压痕处,KDP晶体材料的屈服应力为120MPa.     

基于纳米压痕技术的本构关系反演分析进展

介绍了应力应变反演分析的几种分析方法,包括Dao-Suresh法、极限分析法以及Zhao-Chen法。针对各种方法的力学理论进行论述,并给出每种方法的优缺点和适用范围。介绍了本构关系反演分析中的唯一性问题,尤其侧重于介绍Liu和Chen的研究工作。对本构关系反演分析的不足进行了阐述,并对发展趋势做出了展望。     

钠钙玻璃上Mg2Si薄膜的制备及其电学性质

采用磁控溅射技术和退火工艺在钠钙玻璃衬底上制备了Mg_2Si半导体薄膜,研究了Mg膜厚度对Mg_2Si薄膜结构及其电学性质的影响。在钠钙玻璃上分别溅射两组相同厚度(175nm)的P-Si和N-Si膜,然后在其上溅射不同厚度Mg膜(240nm、256nm、272nm、288nm、304nm),低真空退火4h制备一系列Mg_2Si半导体薄膜。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、霍尔效应测试仪对Mg_2Si薄膜的晶体结构、表面形貌、电学性质进行表征与分析。结果表明:采用磁控溅射技术在钠钙玻璃衬底上成功制备出以Mg_2Si(220)为主的Mg_2Si薄膜。随着沉积Mg膜厚度的增加,Mg_2Si衍射峰逐渐增强,薄膜表面更连续,电阻率逐渐减小,霍尔迁移率逐渐降低,载流子浓度逐渐增加。此外,Si膜导电类型和Mg膜厚度共同影响Mg_2Si薄膜的导电类型。溅射N-Si膜时,Mg_2Si薄膜的导电类型随着Mg膜厚度的增加由P型转化为N型;溅射P-Si膜时,Mg_2Si薄膜的导电类型为P型。可以控制制备的Mg_2Si半导体薄膜的导电类型,这对Mg_2Si薄膜的器件开发有着重要的指导意义。     

等离子喷涂热障涂层材料弹性模量与硬度的压痕测试分析

采用纳米压痕法,研究了经高温热循环处理后的等离子喷涂热障涂层材料弹性模量和硬度的抛物线式演变规律,并采用 Weibull统计分析方法对纳米压痕测试数据进行了处理和分析,提高了实验数据的可靠性.结果表明,经过高温热循环处理之后,不同位置处的热障涂层弹性模量和硬度都呈现出明显的各向异性分布.随着热循环次数的增加,涂层表面和...     

Cr/Al双层纳米薄膜的力学性能测试及其仿真分析

采用纳米压痕仪测量Cr/Al双层纳米薄膜的力学性能,结合有限元仿真的手段对压痕测试进行模拟.通过实验测出了双层膜的弹性模量值和硬度值随着压深h的不同而表现出一定的变化规律,以及得出了溅射时由于核能粒子的轰击而形成的界面层的厚度及其力学性能特征.有限元仿真是对纳米压痕实验的补充,找出了应力主要集中在压头附近的区域,并且发现了最大应力主要集中在双层膜的下层Al膜中,而非上层膜Cr膜中.     

石英玻璃纳米压痕过程有限元模拟的正交实验分析

采用有限元方法模拟纳米压痕过程的影响因素较多,依据正交实验原理提出了确定这些影响因素重要性的一种新方法．选取石英玻璃材料的屈服应力、加工硬化指数以及纳米压头的尖端半径为影响因素,由于材料与压头间的接触摩擦对仿真结果影响不大,且试样在进行纳米实验前都要进行抛光打磨处理,故不考虑摩擦系数和表面粗糙度的影响．将仿真结果与实验结果相对误差的绝对值作为正交实验的指标,利用极差分析可知压头半径是影响模拟结果最重要的因素,屈服应力和加工硬化指数只对模拟出的残余深度有一定的影响．同时通过对比模拟和实验的载荷一位移曲线,得到实际压头尖端半径为300nm,石英玻璃的屈服强度为8GPa,加工硬化指数为0.3     

Use of Nanoindentation,Finite Element Simulations,and a Combined Experimental/Numerical Approach to Characterize Elastic Moduli of Individual Porous Silica Particles

This article describes the use of a combination of experimental nanoindentation and finite element numerical simulations to indirectly determine the elastic modulus of individual porous, micron-sized silica (SiO₂) particles. Two independent nanoindentation experiments on individual silica particles were employed, one with a Berkovich pyramidal nanoindenter tip, the other with a flat punch nanoindenter tip. In both cases, 3D finite element simulations were used to generate nanoindenter load–displacement curves for comparison with the corresponding experimental data, using the elastic modulus of the particle as a curve-fitting parameter. The resulting indirectly determined modulus values from the two independent experiments were found to be in good agreement, and were considerably lower than the published values for bulk or particulate solid silica. The results are also consistent with previously reported modulus values for nanoindentation of porous thin film SiO₂. Based on a review of the literature, the authors believe that this is the first article to report on the use of nanoindentation and numerical simulations in a combined experimental/numerical approach to determine the elastic modulus of individual porous silica particles.     

不同跨径比的两跨连续梁的模态分析试验

介绍两跨连续梁不同跨径比对振型的影响,并讨论冲击系数的取值。采用槽型梁作为连续梁模型,利用Midas有限元分析软件和DASP设备分别对连续梁进行模态分析,得出不同跨径比下连续梁的前3阶振型及其频率,并将Midas计算结果与试验结果进行对比,证实振型变化的真实性。结果表明,第2、3阶振型随着跨径比减小会出现转折,中支点振型的曲率发生变化;考虑跨中正弯矩效应时,冲击系数宜按照《桥规》采用基频计算;考虑中支点负弯矩效应时,冲击系数应采用第二或第3阶频率计算。     

阀盖模锻成形模拟分析与试验验证

目的 某型号不锈钢阀盖是一种典型的长肋条内空型零件,在模锻制造过程中,阀盖锻件容易出现不同程度的折叠和裂纹缺陷,亟需改进成形工艺以提升合格率.方法 采用有限元方法分析坯料在制坯/预锻/终锻全流程的金属流动规律和终锻件成形质量,得到最佳成形工艺方案.结果 方坯在后续成形时易产生横向流动,且局部充型不饱满;六边型坯在预成形和终成形时流动均匀、横向流动小,且有效抑制了充型不饱满缺陷;预制坯在过渡区长度过短,产生了折叠缺陷;采用六边形坯料和增加过渡区长度可以获得无缺陷阀体锻件.结论 采用新工艺制备的阀盖锻件合格率达到了100％,通过全流程工艺分析,能够得到金属流线规律,进而优化模锻成形方案,改善成形质量.     

钢板弹簧刚度特性及接触摩擦的非线性有限元分析

传统的钢板弹簧计算方法在精确建立力学模型时难度较大。考虑钢板弹簧实际工作过程中的大变形、片间接触和摩擦等多种非线性因素,建立某钢板弹簧的计算模型。提出考虑由相邻叶片所组成的接触对上接触压力和应力的分布分析方法,计算不同摩擦系数和载荷情况下的变形、等效应力和接触摩擦力对板簧力学性能的影响,以及不同簧片接触对之间接触压力、摩擦应力,接触总应力的相关性,得到若干研究结果。所提出的方法为进一步研究钢板弹簧中相邻叶片之间的非线性状态提供参考。     

预应力连续箱型桥梁静载有限元分析

有限元法是根据变分原理求解物理问题的数值计算方法．SAP93是一个优秀的微机有限元前后处理系统ViziCAD，本文对一预应力连续桥梁运用SAP93进行了有限元分析，并结合该桥实测数据进行了对比分析，分析结果表明实验方案合理，实验数据真实可靠．而且也表明，所采用的有限元计算模型合理，加力位置正确，用有限元方法来分析桥梁的受力性能，其结果准确可靠．     

陶瓷材料维氏压痕形貌仿真与实验分析

基于有限元数值分析模型对陶瓷材料维氏压入过程中产生的压痕形貌进行仿真.以Si3N4和ZrO2两种典型陶瓷材料为例,对其有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长和维氏硬度进行对比,结果表明,Si3N4和ZrO2的有限元仿真压痕与实验测量压痕对角线半长分别相差0.39％和-0.53％,维氏硬度分别相差-2.7％和4.2％.随着压头与材料间的摩擦因数由0变化至0.5,有限元仿真压痕与实验测量压痕的对角线半长分别相差0.28％和0.27％,维氏硬度分别相差0.14％和0.21％.此外,应用本方法对其他几种典型陶瓷材料(A12O3,ZTA,SiC,Silica)维氏压入有限元仿真计算值与实验真实测量值进行了对比,其压痕对角线半长分别相差1.14％,-0.57％,-0.89％,0.41％,维氏硬度分别相差-2.24％,1.12％,1.85％,-0.86％.据此可知,陶瓷材料维氏压痕形貌可由有限元数值仿真方法获得,从而解决了陶瓷材料维氏硬度测试过程中因压痕不够清晰导致的测量数据不准问题,为下一步探索基于仪器化压入响应识别陶瓷材料维氏硬度以及其他各力学性能参数提供技术基础.     

抛光过程游离单颗磨粒与光学元件间滚动摩擦接触分析

针对游离单颗磨粒与光学元件滚动接触过程中摩擦、磨损机理分析的不足及如何有效控制滚动单颗磨粒对光学元件亚表面损伤的影响等问题,基于滚动接触理论,提出了一种具有分形特征表面的单颗磨粒与光学元件双粗糙面间的摩擦、磨损接触模型,并运用有限元仿真分析微观动态滚动的接触过程.通过对不同剪切强度下接触力、接触应力、磨粒角度及其对亚表面损伤的影响等分析,发现随着剪切强度的增强,磨粒与光学元件表面接触界面间的摩擦系数将减小,最佳的磨粒角度为105°～120°,并且分形特征的单颗磨粒对亚表面损伤的影响要大于球形特征单颗磨粒,这说明了研究分形特征游离单颗磨粒滚动接触的必要性和重要性,为更加深刻了解滚动接触过程的摩擦机理提供了借鉴意义.     

防爆型三相异步电机中高精度多物理场耦合模型的研究和分析

防爆型电机正常工作过程中存在着电磁场、温度场、流体场以及应力场等多物理场,现阶段针对该方面的研究较多不足之处,如仅基于电磁场而实现电机的设计和制造,因此有必要对电机中的多物理场之间的耦合关系展开深入研究,满足多个技术指标要求。考虑防爆型三相异步电机实际应用性能指标要求,本文提出一种基于多物理场分析理论的防爆型三相异步电机的优化设计方法。首先,围绕电机实际安装尺寸大小,构建电机的几何模型和有限元计算模型;其次,考虑电机的磁场、热传递和流体分析等物理场之间的耦合,为满足通风冷却性能要求,得到电机的温度分布规律、电机热应力和变形分布;最后,对一台1000kW-2p-6kV防爆型三相异步电机进行样机试验,根据试验结果验证了本文提出方法的有效性。