单晶锗脆塑转变纳米划痕实验研究

为控制单晶锗脆塑转变临界状态,基于公式对单晶锗脆塑转变时的临界载荷进行了预测,采用纳米压痕仪对单晶锗(110)晶面进行了变载荷纳米划痕实验和恒定载荷纳米划痕实验,分析得到单晶锗(110)晶面发生脆塑转变时的临界状态,并借助原子力显微镜(AFM)对实验表面进行扫描表征。结果表明,单晶锗(110)晶面在变载荷纳米划痕实验下发生脆塑转变的临界载荷和临界深度分别为41.4mN、623nm;单晶锗(110)晶面在恒定载荷纳米划痕实验下发生脆塑转变的临界载荷和临界深度分别为30～50mN、500～900nm,验证了变载荷纳米划痕实验结果的正确性。根据变载荷纳米划痕实验结果修正了单晶锗(110)晶面在固定实验参数下发生脆塑转变临界深度理论计算公式,为分析单晶锗微纳米尺度塑性域切削提供数据支持。     

微纳米尺度单晶锗表面切削加工特性

利用纳米压痕仪和原子力显微镜对微纳米尺度下单晶锗表面在不同刻划速度和载荷下的切削特性进行试验研究。结果表明,在定载荷的条件下,刻划速度越大,沟槽两侧切屑堆积体积越大,沟槽的深度也逐渐增大。切削力随着刻划速度的增加而增加,同时还发现,刻划速度越大,切削力越趋于稳定,波动越小。在较低载荷刻划下,单晶锗表面划痕细小,深度较浅且不明显。随着载荷的逐渐增大,划痕宽度及深度也逐渐增大。沟槽两侧及探针前端有明显的切屑堆积,切削力及切削深度随载荷增大而增大,但并非呈线性增长。     

纳米压痕条件下单晶锗的尺寸效应研究

采用准静态法对单晶锗(111)晶面进行了纳米压痕实验,对单晶锗(111)晶面的位移-载荷曲线及硬度-压深曲线进行了分析。结果表明,在压入深度为471.36nm时,单晶锗(111)晶面的加载曲线上出现突进点,随着压入深度的进一步增加,突进点逐渐增多。该点对应为单晶锗(111)晶面由塑性变形向脆性断裂转变的临界点。单晶锗卸载曲线上出现突退点,突退点对应为单晶锗由弹性变形向塑性变形转变的临界点。单晶锗(111)晶面的硬度和弹性模量均呈现出随压入深度的增加而减小的趋势,表现出明显的尺寸效应。基于Nix-Gao模型对单晶锗(111)晶面的硬度与压深关系进行曲线拟合,得到无尺寸效应时的纳米硬度为8.399GPa,微观特征长度为131.907nm,尺寸效应因子为0.168。     

纳米压痕条件下单晶锗的尺寸效应

采用准静态法对单晶锗(111)晶面进行了纳米压痕实验,对单晶锗(111)晶面的位移-载荷曲线及硬度-压深曲线进行了分析。结果表明,在压入深度为471.36nm时,单晶锗(111)晶面的加载曲线上出现突进点,随着压入深度的进一步增加,突进点逐渐增多。该点对应为单晶锗(111)晶面由塑性变形向脆性断裂转变的临界点。单晶锗卸载曲线上出现突退点,突退点对应为单晶锗由弹性变形向塑性变形转变的临界点。单晶锗(111)晶面的硬度和弹性模量均呈现出随压入深度的增加而减小的趋势,表现出明显的尺寸效应。基于Nix-Gao模型对单晶锗(111)晶面的硬度与压深关系进行曲线拟合,得到无尺寸效应时的纳米硬度为8.399GPa,微观特征长度为131.907nm,尺寸效应因子为0.168。     

黏弹性材料蠕变柔量测试方法研究

带式输送机广泛应用于工业生产,输送带属于典型的黏弹性材料。压陷阻力在带式输送机运行阻力中所占比重最大,研究黏弹性材料性能参数测试方法对于研究压陷阻力有重要意义。详细介绍了黏弹性材料的广义Vogit-Kelvin模型及蠕变柔量测试相关理论。采用球形压头对黏弹性材料进行压陷实验,提出采用恒加载速率加载力的测试方法。根据球形压头在黏弹性材料表面的压入深度与作用力,通过分析、计算得到蠕变柔量与时间的关系表达式。     

煤矿冲击地压发生理论公式

冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一,研究冲击地压发生机理的理论公式是实现冲击地压定量防治的第一前提。针对目前尚未有直接明了的冲击地压发生理论公式的现状,通过建立与地应力、煤岩物性、支护强度和工程结构参数直接相联系的巷道冲击地压发生力学分析模型,得到了一套冲击地压发生的理论公式。首先,系统探究了冲击地压解析分析所涉及的几何模型、边界条件、煤岩体变形破坏本构关系和冲击地压发生的力学判据;其次,结合煤岩体变形破坏的"双线性"本构关系和"三线性"本构关系,分别建立了巷道"弹性区、塑性软化区"2分区结构模型与"弹性区、塑性软化区、破碎区"3分区结构模型,对巷道围岩展开应力分析,得到了巷道平衡系统方程;最后,由系统方程与冲击地压发生力学判据,得到了冲击地压发生的临界载荷、临界破碎区半径与临界软化区半径指标及其理论计算公式。采用理论公式定量解答了冲击倾向性与冲击危险性的理论关系、矿井冲击地压发生临界开采深度的理论界定和支护在冲击地压启动过程中的作用及支护安全系数设计方法等科学问题,并对我国近30座冲击地压矿井的冲击启动临界载荷、临界开采深度和支护防冲安全能力进行了计算或验算。研究结果表明,临界载荷、冲击能指数和单轴抗压强度3个指标参量间具有明确的理论关系;表征冲击倾向性的理论指标为冲击能指数和单轴抗压强度,表征冲击危险性的理论指标为实际应力与临界载荷比值;基于冲击地压发生的临界载荷,可以得到矿井冲击地压发生临界开采深度的理论确定方法;支护强度的提高能够有效提升冲击地压发生的临界载荷。研究成果旨在继承并突破现有定性或统计定量的冲击地压理论,为实现煤矿冲击地压机理及应用的定量化研究奠定基础。     

加工参数对单晶锗表面粗糙度扇形分布的研究

单点金刚石车削单晶锗端面时,其表面粗糙度易呈现明暗扇形域相间分布的现象,达不到使用标准,而该现象的出现与加工参数密切相关。通过正交试验,研究了刀尖圆弧半径、切削深度、进给量对单晶锗表面明暗域粗糙度扇形分布的影响。将数据进行方差和极差分析,结果表明:刀尖圆弧半径、切削深度、进给量,对单晶锗表面粗糙度明暗扇形分布都有影响,进给量对其影响显著,而刀尖圆弧半径和切削深度对其影响较显著;刀尖圆弧半径与明暗扇形域粗糙度值成反比,进给量与明暗扇形域粗糙度值成正比;刀尖圆弧半径越小、切削深度越大、进给量越大,暗扇形域面积越大,明扇形域面积越小;将单晶锗表面明暗扇形域用扫描电镜观察,发现明扇形域表面光滑,主要发生塑性去除,暗扇形域出现较多凹坑,主要发生脆性破坏。根据极差分析,针对本试验,选出了一组最优加工方案为A3B1C1,即刀尖圆弧半径为2mm,切削深度为2μm,进给量为1μm/r。此结果可为实际加工做出一定参考。     

矿区塌陷区开发建设用地的稳定性分析

随着我国城镇化进程加快,城市周边闲置的塌陷土地逐渐被列为城市发展用地,大量的塌陷区土地被开发利用成为建设用地。当在塌陷区土地上新建建筑物时,荷载的增加可能会破坏老采空区的应力平衡状态,导致老采空区"活化",引发地基失稳。为分析塌陷区土地转为建设用地后的稳定性,提出了定量估算塌陷区上方新建建筑物安全高度的方法。结合实例,根据弹性地基应力布辛奈斯克解在三维空间上的计算法则,计算了建筑物的荷载影响深度;根据覆岩破坏特征,认为当新建建筑物的荷载影响深度、煤岩柱保护层厚度和导水裂缝带高度之和恰好等于采空区最小埋藏深度时,此时的新建建筑物荷载为临界荷载。当新建建筑物的载荷不超过临界载荷时,不会引起采空区"活化"。研究表明:根据矿区塌陷区地质采矿条件计算临界载荷,反演新建建筑物的安全高度,可为确定矿区塌陷区新建建筑物的安全高度提供理论依据。     

巷道临界深度的计算模型及失稳机理分析

为研究巷道的失稳临界深度,基于梁的弹性弯曲理论,引入"耦合作用因数ξ"表征地下水、温度、地质构造等因素的影响,建立了考虑耦合作用的巷道"失稳临界深度方程",并就巷道失稳临界深度的力学意义,从围岩的结构、稳定性、位移和应力状态这4个方面探讨了围岩的失稳机理。最后以东滩矿1305轨道运输巷作为模型的算例,结果表明:该矿现阶段开采条件下的巷道失稳临界深度约为960.0 m,其中因耦合作用的影响使巷道失稳深度增加了约510.2 m。     

冰硬度试验台设计与试验

极地冰层硬度特性对铠装电缆电动机械取心钻具反扭装置设计和使用具有重要意义。针对冰层特殊的物理性质,结合材料硬度测试原理,设计了一套可在模拟极地冰层低温条件下测量冰硬度特性的硬度试验台。该试验台由低温冷柜、硬度测试台和数据采集及控制系统3部分组成,其中,数据采集及控制系统隔离在常温环境中,降低了元器件对环境温度的要求。利用该试验台对硬度压头压入冰层的压力和深度进行数据检测,换算得到相应的硬度值。对设计的试验台进行初步实验表明,该试验台工作状态良好,数据准确,可满足对低温材料硬度特性的检测。     

纳米晶粒硬质合金磨削加工表面质量实验研究

以乙酸盐为原料,通过一步微波法烧结制备出了镍钴锰酸锂LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料,研究了烧结温度、保温时间对材料结构形貌以及电化学性能的影响。结果表明,在900℃保温4h所制备的正极材料以0.2 C倍率,2.75-4.3 V电压平台下首次放电容量为156 mAh/g,经过30圈充放电循环后,容量为141.65 mAh/g,容量保持率为94.2%;在电流密度0.5 C和1 C条件下,经过30次循环后容量保持率分别为91.2%、89.02%。     

摩擦提升机衬垫硬度与比压关系的理论研究

根据弹性半空间理论和分布载荷作用下的应力分析了硬度计的测试机理,并分析了绳槽中衬垫的受力情况,给出了比压测试原理,根据硬度测试中变形与硬度以及绳槽中衬垫的变形与比压的关系,得出衬垫硬度与比压存在内在联系,通过理论推导建立了衬垫硬度和比压之间的关系。     

煤层力学性质及可钻性分级试验研究

利用CMT5305型电子万能试验机测得了某煤层的单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度,并配套圆柱形压头测试了在不同加载位移速率下的静压入硬度值。研究表明:煤岩静压入硬度值不受位移速率影响,但其局部破坏有时间效应,位移速率越大,破坏所需时间越短,且压头压入时煤岩有旋涡式破坏和劈裂式破坏2种;压入硬度法和普氏硬度法对煤层可钻性分级的结果不一致,前者对煤层可钻性分级结果为中软4级,后者对煤层可钻性分级结果为中等坚固～比较软Ⅴa～Ⅵ,分级受室内试验条件影响;压入硬度与抗压强度、弹性模量和抗拉强度的预测模型均可采用对数函数建立,预测模型为准确掌握煤层力学性质提供理论指导。     

不同水固比富水充填材料失稳破坏特征研究

为探讨在开采扰动作用下不同水固质量比富水充填材料失稳破坏时的特征与临界条件、水固质量比对富水充填材料变形特性的影响,通过蠕变、应力-应变等试验,研究了不同应力条件下不同水固质量比富水充填材料的蠕变性能及应力-应变特征,并得到了不同水固质量比充填材料失稳破坏的临界荷载。结果表明：富水充填材料在应力水平较小时,蠕变曲线有衰减阶段和稳定阶段2个阶段;当应力水平达到临界荷载时,蠕变曲线表现出3个阶段,衰减阶段、稳定阶段和加速阶段;水固质量比为1.7、2.0和2.5的充填材料失稳破坏的临界荷载分别为其28 d抗压强度的92%、90%和85%,临界荷载随着水固质量比的提高而降低;应力-应变关系曲线宏观上有4个阶段：初始变形阶段,弹性阶段,塑性变形阶段和破坏阶段;弹性模量随着水固质量比的提高而降低。     

THE ANALYSIS OF ROCKBURST IN COALMINE

This paper has put forward energy criteria and disturbance-response criteria for rockburst. The coal pillar rockburst or rockburst at roadway and working face have been analyzed. An equation is given to calculate the critical load when a rockburst occurs. The ratio E/λ of the elastic modulus E and softening descending modulus λ is believed to be an important parameter of rockburst. The concept of resistance zone is put forward and the critical depth of resistance zone can be used in the forecast and prevention of rockburst. The value of supporting stress of roadway has much effect on the critical load.     

60Si2Mn弹簧挡圈断裂原因分析及防治措施

通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、硬度检测等方法对60Si2Mn弹簧挡圈的断裂原因进行了分析。结果表明:挡圈表面网状的磨削裂纹与心部硬度偏高是导致弹簧挡圈发生脆性断裂的主要原因。最后对该弹簧挡圈的生产提出改进措施。     

复合充填结构体承载破坏演化特征

针对力学性质存在差异的材料组合而成的复合充填结构体在承载过程中内部应力分布不均的现象,开展了由不同强弱介质组合而成的复合充填结构体的单轴压缩试验。结合声发射特征分析,研究了复合充填结构体的承载特征、损伤演化和破坏特征。研究表明：①单轴压缩状态下复合体内部应力分布不均,强介质内部应力大于弱介质内部应力,整体荷载主要由强介质承担;②当复合体中强介质强度一定时,复合体整体强度与弱介质强度呈正相关;③当弱介质强度小于等于3.21 MPa时,复合体应力—应变曲线出现两个弹性阶段,且第一弹性阶段的斜率大于第二弹性阶段,随着弱介质强度增加,第一弹性阶段增长、第二弹性阶段缩短,当弱介质强度大于3.21 MPa时,第二弹性阶段消失;④声发射信号演化特征表明：两个弹性阶段的拐点处弱介质出现大量损伤破坏,弱介质先于强介质破坏,当弱介质强度大于3.21 MPa时,损伤主要发生在压密和屈服后阶段,弱介质与强介质同时破坏。研究成果可为地下采场复杂应力场控制措施研究提供基础。     

40Cr钢的磨削淬硬层与磨削参数的关系

针对矿山机械常用材料之一40Cr钢应用了磨削淬火技术, 并在试验中改变磨削用量以研究材料的淬硬层情况。试验后对试件进行金相组织观测, 发现可得到一定厚度的马氏体; 进行硬度值测量发现: 在变进给情况下, 强化层厚度为1.2～1.4 mm, 硬度值平均为HV760(HRC62), 淬硬厚度随着进给速度减少而增加; 在变切深情况下, 强化层厚度为0.8～1.6 mm, 硬度值平均为HV700(HRC60), 淬硬厚度随着切深的增加先增大后减少。两种手段得到的淬硬层硬度均远远高于基体硬度值HV255(HRC23), 证明了该种新技术经济实用, 效果良好, 并且宜采用缓进给的方式进行。     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。