含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数

基于共晶复合陶瓷的细观结构特点,建立了含夹杂、强约束界面相、基体氛围和有效介质的四相模型;借助复合材料有效热膨胀系数的稀疏解,确定了棒状共晶体内的有效热应力场和两个热膨胀系数的解析表达式;将棒状共晶体看作具有随机方位的横观各向同性夹杂,将棒状共晶体边界处的基体颗粒看作球形的各向同性夹杂,对含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数进行了预报。结果表明共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数具有明显的尺度效应。     

两种陶瓷薄膜的透射电镜研究

采用高分辨透射电镜技术对两种硬质薄膜（AlTiN多层薄膜和AlCN非晶薄膜）样品的显微结构进行了研究。结果表明：在高速钢基体上制备的AlTiN多层薄膜由两种氮含量交替变化的膜层构成,尽管交替的两层中氮含量不同,但每一单层都为纳米晶包含在非晶点阵中的纳米复合结构,不同之处是低氮含量层中纳米晶密度较小;生长在单晶硅基体（100）晶面上的非晶AlCN薄膜,在膜基界面处硅基体上出现应力畸变层,应力畸变层厚度很薄,约3～5个原子层。比较Si的应变层和非应变区的傅里叶变换结果,片状的应变层产生形状效应,使得傅里叶变换图中斑点沿垂直于片状应变层方向拉长成线状。     

共晶界面复合陶瓷刚度的尺度效应

首先应用四相模型法确定了棒状共晶体内的有效应力场和柔度增量张量的隐性表达式;然后利用Taylor展开得到共晶体弹性常数的解析表达式,共晶体为横观各向同性,有5个独立的弹性常数;最后将棒状共晶体看作具有随机方位的横观各向同性夹杂,将棒状共晶体边界处的基体颗粒看作球形的各向同性夹杂,对共晶复合陶瓷的刚度进行了预报。结果表明,共晶复合陶瓷的弹性模量和泊松比对纤维夹杂直径具有明显的尺度效应。     

考虑材料夹杂的接触问题数值分析

金属在冶炼过程中产生的非金属夹杂物以及裂纹等缺陷在交变载荷作用下产生应力集中,形成疲劳源,使部分材料与基体材料脱离产生裂纹,影响材料的疲劳寿命。基于半解析法(Semi-analytical method,SAM),将计算区域离散为若干个微立方体单元,每个夹杂可由不同数量的微立方体单元构成。根据等效夹杂方法(Equivalent inclusion method,EIM),每个单元夹杂均具有一个未知的等效特征应变,通过求解应力-应变本构方程组得到。接触压力通过共轭梯度法求解,进而得到表面残余变形和表层下应力分布等。采用二维和三维快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)算法快速求解变形、特征应力等变量。结果表明,算法稳定,收敛性好;材料夹杂对接触压力和表层应力分布有显著影响;处于接触表面附近的大尺寸夹杂对材料性能影响最大。基于本模型可模拟任意形状和分布的夹杂的影响。     

刚性薄膜/柔性基体结构面内压缩屈曲行为数值模拟与分析

在薄膜复合材料的制备和工作过程中,由面内残余应力或外加应力引起各层间的失配应变经常造成薄膜结构的屈曲。针对刚性薄膜/柔性基体这类复合材料结构的屈曲行为,基于复变函数理论建立了结构弹性稳定性分析方法,分别对单轴和双轴面内压应力引起的屈曲特征参数进行数值求解。结果表明临界前屈曲薄膜应力是结构的固有特征,取决于材料和几何参数;在单轴和非等双轴应力作用下,临界前屈曲薄膜应力随薄膜/基体弹性模量比增大而减小,面内仅有一个方向屈曲波数不为零;在等双轴应力作用下,临界前屈曲薄膜应力和无量纲屈曲波长的影响因素由基体/薄膜厚度比决定,任何满足波数方程的屈曲模态都有可能出现。     

含韧性界面相的颗粒增强复合材料的损伤研究

基于增量损伤理论,提出一个可描述颗粒增强复合材料渐进式脱粘损伤、基体塑性变形及颗粒尺寸效应的本构模型。采用双夹杂模型将韧性界面相嵌入到增量损伤理论模型,用界面分离的能量平衡式来描述颗粒增强复合材料的渐进式脱粘损伤。该模型可研究颗粒尺寸效应和界面性能对复合材料应力-应变关系的影响,并可解释界面相对复合材料力学性能的颗粒尺寸效应的影响。     

3D-C/SiC复合材料的高温拉伸性能

研究了 3D C/SiC复合材料从室温到 15 0 0℃真空条件的拉伸性能。试验材料用T30 0碳纤维编织为三维四向编织体 ,编织角为 2 2° ,用CVI法在 95 0℃～ 10 0 0℃沉积热解碳界面层、SiC基体。最终得到纤维体积分数约为4 0vol%、热解碳界面层厚度约 0 .2 μm和空隙率为 17vol%的复合材料 ,表面SiC涂层厚度为 5 0 μm。试验在超高温拉伸试验机上进行 ,真空度为 10 -3 Pa ,夹头位移速率为 0 .5 95mm/min。结果表明 ,拉伸应力 应变曲线是非线性的 ,大部分拉伸曲线基本由三段折线组成 ,对应着三段模量。第一阶段的模量和基体裂纹饱和应力对应的应变εsa 基本不随温度的升高而改变 ;第二和第三阶段的模量、损伤开始应力σmc、基体裂纹饱和应力σsa、断裂应力σf 和损伤开始应变εmc随温度有相似的变化规律 ,即随温度升高而增加 ,在 110 0℃ ～ 130 0℃范围内出现最大值 ,尔后随温度增加而下降 ;但是断裂应变的变化规律正好与此相反。试样机械加工后 ,由于残余应力部分得到松弛 ,并去除了表面SiC涂层开裂后引起的应力集中 ,因此材料断裂强度和断裂应变明显升高。高温和室温的拉伸断裂应变小于0 .6 % ,不能有效地松弛材料切口处的应力集中。测量了拉伸过程中试样的电阻相对变化率 ,它与载荷的关系曲线总的走势与拉     

316L奥氏体不锈钢表面低温气体渗碳层的热稳定性能

对表面低温气体渗碳强化处理的316L奥氏体不锈钢进行300～400℃保温150,1 500,3 000h时效处理,研究了时效温度及时间对表面渗碳层物相组成、厚度、纳米硬度和残余应力的影响,分析了其热稳定性能。结果表明:渗碳层在温度300～400℃的时效过程中无新型碳化物析出;在400℃时效时,碳原子向基体内部扩散,渗碳层厚度明显增加,当时效时间为3 000h时,渗碳层与基体的界面消失,表面纳米硬度降至基体的50%;当在300℃时效时,渗碳层厚度、碳含量以及纳米硬度均没有明显变化,此温度下服役时渗碳层较为稳定;经300～400℃时效处理后,渗碳层的表面残余压应力均下降,且时效温度越高、时效时间越长,残余压应力下降的幅度越大。     

石墨/Ti(C,N)基金属陶瓷梯度自润滑复合材料残余应力的有限元模拟

利用有限元方法研究了组成分布指数和梯度自润滑层厚度(层厚)对石墨/Ti(C,N)基金属陶瓷梯度自润滑复合材料残余应力的影响;采用层铺-烧结法制备该梯度自润滑复合材料,利用X射线衍射法测试其表面残余应力,并与模拟结果进行了对比.结果表明:径向压应力主要分布在梯度自润滑层的表层,在金属陶瓷基体与梯度自润滑层界面边缘处存在严重的应力集中;随着组成分布指数的增大,表面径向压应力增大,界面处应力减小;增大层厚可以改善界面处的应力分布,但表面径向压应力也随之降低;最佳组成分布指数为1.0～2.0,层厚为1.0～1.5 mm;试验测得的表面残余压应力随层厚的变化与模拟结果基本一致.     

共晶基复相陶瓷中缺陷的稳定性分析

共晶基复相陶瓷材料中,不同相间的热膨胀系数的差异产生的缺陷是降低材料强度的重要因素。基于等效夹杂理论和相互作用直推估计法,计算得到颗粒周围缺陷在热残余应力和外载应力作用下的应力强度因子,研究了缺陷的扩展稳定性,并分析了颗粒刚度、形状、含量等参数对扩展稳定性的影响规律。结果显示:扁平形的颗粒环向最容易产生热裂纹;刚性颗粒能够在一定程度上降低外载应力在基体中平均作用效果,且长椭球状刚性颗粒的降低程度要大于扁椭球颗粒,因此有利于缺陷的稳定,柔性颗粒作用相反;当缺陷扩展量很小,应力强度因子主要受残余应力控制,缺陷扩展量较大时,应力强度因子主要受基体平均应力控制,长椭球形柔性颗粒有利于提高材料强度。     

不同组织高铬白口铸铁低速重载滑动干摩擦磨损行为

对不同化学成分的高铬白口铸铁进行不同热处理,通过低速重载滑动干摩擦磨损试验研究了高铬白口铸铁的磨损率和摩擦因数与摩擦功率密度、正压应力、碳化物类型和基体组织的关系,并探讨了低速重载条件下高铬白口铸铁的滑动干摩擦磨损机理。结果表明:高铬白口铸铁的摩擦因数与碳化物相类型和正压应力有关,而与基体组织无关;磨损率与基体组织类型、碳化物相类型和摩擦功率密度均有关;在低速重载滑动干摩擦磨损过程中,铸铁的组织由摩擦面至内部依次为摩擦层、流变层、应变带、不变区等4个区域;摩擦层中原始基体组织遇到严重破坏,与破碎碳化物充分混合;流变层中固相塑性流变的黏滞阻力增大,导致裂缝、空洞形成,最终产生疲劳剥落;应变带中碳化物相因基体组织的塑性变形而发生弯曲或断裂。     

玻璃与铝多层阳极键合接头力学性能分析

阳极键合是一种利用电和热相互作用实现固体电解质玻璃(陶瓷)与金属材料固态连接的一种新方法.运用共阳极法实现多层玻璃/铝的键合,并采用微拉伸试验和MARC非线性有限元分析软件,分析了玻璃与铝多层键合试件冷却后,接头的力学性能和残余应力分布状况.试验发现,在玻璃/铝/玻璃多层连接区,键合界面附近的残余应力和应变呈对称分布,多层结构的对称性有利于缓解接头应变和应力,表明应用公共阳极法可实现多层玻璃/铝/玻璃的良好键合.     

电磁复合材料中圆弧形界面导电刚性线尖端应力强度研究

研究无穷远处反平面力载荷和平面电磁载荷作用下,电磁智能材料中圆弧形界面导电刚性线尖端应力强度问题。运用复变函数方法,得到该问题的一般解;并得到界面上只有一条刚性线时的封闭形式解,求解基体及夹杂区域复势函数、刚性线尖端的应力、电位移和磁感应强度因子。对于压电基体和压磁夹杂情况下,详细讨论刚性线长度以及无穷远处载荷对刚性线尖端应力强度因子的影响规律。当同时加载力电磁载荷时,刚性线尖端的应力、电位移和磁感应强度因子依赖于复合材料的有效材料常数。     

含界面相复合材料的柔度预报

界面相对复合材料的力学行为有很大影响.考虑夹杂与界面相的联合作用,建立由夹杂、界面相、基体和有效介质组成的四相模型.首先根据有效自相容法推导出夹杂与界面相内的局部应力场,进而得到复合材料有效柔度的隐性形式,再利用Taylor级数展开得到复合材料的柔度张量的显性表达式,复合材料的柔度张量与夹杂和界面相的体积含量、夹杂形状和分布形式有关.     

TiN薄膜的残余应力调控及力学性能研究

残余应力是制约物理气相沉积（Physical vapor deposition,PVD）硬质薄膜厚度的关键因素。采用多弧离子镀技术在高速钢基体上制备了厚度从3.7 m到15.5 m的TiN薄膜,结合曲率法和有限元法研究残余应力及结合性能随膜厚的变化规律。结果表明,随着膜厚的增加,基片弯曲程度加剧,而薄膜平均残余应力降低;膜层内残余应力的整体水平决定了界面切应力大小,薄膜结合性能随界面切应力的增加而降低。增加基体偏压、降低工作气压均导致薄膜内部残余应力的升高。当残余压应力较高时,TiN薄膜具有细小、致密的柱状晶结构,并呈现（111）择优取向,薄膜硬度及断裂韧度较高,耐磨性能良好。研究结果提示我们,通过残余应力的调控可提高硬质薄膜的力学特性。     

7075T651铝合金板材内部初始残余应力分布研究

针对材料内部残余应力分布的传统剥层测量方法,对底部贴片的剥层法进行改进,通过测量底部释放的应变,结合有限元方法模拟残余应力释放过程中得到的各剥除层的应变释放系数,计算出了剥除层释放的残余应力。运用弹性力学理论推导得到了材料内部初始残余应力的修正公式。随后基于两种方法对典型7075T651航空铝合金预拉伸板的内部残余应力进行了测量,并对测量结果进行了分析和比较。结果表明,改进法能够有效评估材料内部初始残余应力分布规律,但是在个别深度处测量精度有待进一步提高。     

热机械循环载荷下短纤维增强金属基复合材料性能分析

从复合材料内部组分的细观力学关系人手,选取代表体积元,基于Eshelby椭圆夹杂理论和瞬时体积平均的概念,通过集中张量描述纤维与基体以及纤维与纤维间的相互作用,并把在弹性范围内得到的各集中张量推广到弹塑性范围内,建立能够在弹塑性范围内分析热机械循环载荷作用下短纤维增强金属基复合材料的性质的模型。为了接近工程实际,假设纤维始终保持线弹性,对基体材料采用能反映bauschinger效应的混合硬化模型,依据基体的弹塑性状态决定复合材料整体的弹塑性状态。在塑性范围内,从各向异性的角度出发,采用增量法迭代得出每个加载步结束时复合材料整体以及各相的应力应变增量。编写控制应变和温度加载条件下,计算复合材料应力应变响应的程序,着重讨论纤维的外形、空间分布、体积百分比以及温度载荷对复合材料宏观性质的影响,并与相关的实验结果和数值结果进行比较。     

间断式纤维增强热塑性基复合材料应力应变场分析

用有限元法通过引入一个单胞模型和适当的边界条件，分析了间断式纤维增强复合材料在外部载荷作用下复合材料内部应力－应变场的变化规律，比较了基体在弹性和弹塑性条件下纤维、纤维与基体界面应力分布的特点。     

三维编织复合材料界面应力传递机理的数值分析

针对三维编织复合材料,在纤维/基体界面受力分析的基础上,以小段纤维的结构而建立的拉拔模型为理论依据,采用有限元分析软件对拉拔模型进行分析,得到了纤维/基体界面分别在不同载荷与不同埋入深度时出现的应力、应变和位移变化规律.结果与理论吻合,对于进一步改进三维编织复合材料的工艺流程及提高使用性能有一定的指导作用.     

镍基合金涂层和扭力轴的扭转特性仿真

为了得到修复再制造后扭力轴基体和镍基合金熔接涂层的力学性能,分析了不同扭转弧度对熔接涂层和基体力学性能的影响,得出熔接涂层和基体的应力、应变随扭转弧度的变化规律,并讨论模型轴向外表面和径向内表面应力、应变随扭转弧度的变化规律。研究结果表明:修复后的模型力学性能达到原有力学性能的90%;随着扭转弧度的增大,扭力轴基体和熔接涂层的应力、应变均逐渐增大;对于模型轴向外表面,最大应力出现在涂层上,并且由涂层中心向四周的结合界面扩散,熔接涂层应变是先小于基体应变,然后再大于基体应变;对于模型径向内表面,熔接涂层的应力和应变始终大于基体的应力和应变。