分形理论在陶瓷材料断裂行为中的应用

综述了近年来分形理论在陶瓷材料断裂行为和断裂机制方面应用的进展情况,主要包括分形理论的产生、陶瓷断口的分形特征和分形维数的测定方法、材料断裂的分形模型以及分形维数与材料性能之间的关系.通过对Al2O3-TiC(AT)和Al2O3-TiC-4%Co(ATC)(体积分数)两种复合材料表面压痕裂纹扩展特征分析和分形维数的计算,获得与其断裂行为相关的信息,结果表明ATC材料的断裂韧性和抗弯强度均有较大提高,其断裂模式从典型的沿晶断裂转变为沿晶/穿晶混合断裂模式,对两种材料表面压痕裂纹的分形计算表明ATC的压痕裂纹具有较高的分形维数,与其较高的断裂韧性存在正比例的对应关系.     

分形理论在陶瓷材料断裂行为中的应用

综述了近年来分形理论在陶瓷材料断裂行为和断裂机制方面应用的进展情况，主要包括分形理论的产生、陶瓷断口的分形特征和分形维数的测定方法、材料断裂的分形模型以及分形维数与材料性能之间的关系。通过对Al2O3-TiC（AT）和Al2O3-TiC-4％Co（ATC）（体积分数）两种复合材料表面压痕裂纹扩展特征分析和分形维数的计算，获得与其断裂行为相关的信息，结果表明ATC材料的断裂韧性和抗弯强度均有较大提高，其断裂模式从典型的沿晶断裂转变为沿晶／穿晶混合断裂模式，对两种材料表面压痕裂纹的分形计算表明ATC的压痕裂纹具有较高的分形维数，与其较高的断裂韧性存在正比例的对应关系。     

高强度桥梁钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率的研究

利用高频疲劳试验机对高强度桥梁钢的母材、热影响区和焊缝的疲劳裂纹扩展速率进行了测定,并结合疲劳扩展断口分析各部位疲劳裂纹扩展快慢的原因。结果表明,高强度桥梁钢焊接接头中焊缝裂纹扩展速率最低,抗疲劳裂纹扩展能力最高;母材疲劳裂纹扩展速率最高,抗疲劳裂纹扩展能力最差;热影响区介于二者之间。焊缝的疲劳断裂模式是以穿晶断裂为主,母材是以沿Z字形路径扩展的沿晶断裂为主,热影响区则介于两者之间。     

成分偏析严重的12CrNi2MnCu铸钢冷脆转变特性研究

采用系列温度动态撕裂试验、断口分析和金相分析,并结合断裂力学研究了成分偏析严重的12CrNi2MnCu铸钢的冷脆转变特性.结果表明,本试验铸钢在试验温度范围内动态撕裂能普遍较低,但仍表现出冷脆转变特性.试验温度高于冷脆转变温度时,裂纹以沿脆化的一次晶晶界扩展为主,形成脆性的沿晶断裂;试验温度低于冷脆转变温度时,裂纹以在冷脆的晶内扩展为主,形成穿晶断裂.     

铸钢车轮材料在600℃～20℃循环温度幅下热疲劳断裂行为探讨

研究了铸钢车轮材料在循环温度幅600～20℃下的热疲劳断裂行为.研究发现,试样表面氧化较为严重,表面开裂加速了次表层裂纹的形核扩展.断口裂纹以沿晶为主,并有少量穿晶裂纹,表明高温蠕变对热疲劳试验过程有着相当的作用.同时,断口的破坏和表面的破坏起到了相互促进的作用.     

复相化钻杆在循环应力下断裂行为研究

采用疲劳试验、扫描电镜动态拉伸装置和透射电镜,研究了复相化钻杆的疲劳强度和在循环应力作用下裂纹萌生、扩展的特点,并分析讨论了显微组织对钻杆疲劳断裂行为的影响.研究结果表明：下贝氏体组织或下贝氏体/马氏体界面可使钻杆的显微断裂模式由沿晶＋穿晶断裂转变为穿晶断裂,增加了裂纹转折和二次裂纹,提高了材料的裂纹扩展抗力.在钻杆材料中引入适当比例的下贝氏体＋马氏体复相组织,明显增长了裂纹萌生周期,可使钻杆在机械性能相近情况下具有优于回火索氏体组织的疲劳性能.     

高氮奥氏体钢低温断裂途径与断口形貌

用扫描电子显微镜对18Cr-18Mn-0.7N高氮奥氏体钢低温断裂途径进行了观察。证实该钢低温脆断中裂纹既可穿晶扩展又可沿晶界和退火孪晶界扩展。仔细观察发现裂纹更容易在晶界和退火孪晶界形成并沿这些晶界扩展，对断面与侧面组织的双面观察表明，退火孪晶界断裂，沿晶断裂和穿晶断裂分别形成光滑平面状断裂刻面，光滑曲面状断裂刻面和粗糙不平的断裂刻面。     

新型镍基粉末高温合金FGH98的高温疲劳裂纹扩展行为研究

测定了新型粉末高温合金FGH98在650℃空气环境中的疲劳裂纹扩展速率,与前两代粉末高温合金FGH95和FGH96的裂纹扩展速率进行了比较分析,研究了合金显微结构以及保载时间对FGH98合金裂纹扩展速率的影响.结果表明,FGH98合金的高温疲劳裂纹扩展抗力较前两代粉末高温合金有了明显提高.控制固溶后以适当的方式冷却,使得二次和三次γ’相均匀匹配析出,可以获得具有良好疲劳裂纹扩展抗力的合金组织.粗晶组织有利于降低FGH98合金的疲劳裂纹扩展速率,尤其是在近门隘区.FGH98合金的高温疲劳裂纹扩展速率随保载时间的增加而增加,其断裂模式相应地从穿晶-沿晶混合断裂变为沿晶断裂.     

GH4720Li合金疲劳裂纹扩展速率的温度敏感性

测定了难变形高温合金GH4720Li在650、700、750及800℃空气环境下的疲劳裂纹扩展速率,并结合断口分析了在纯疲劳及保载90 s下,温度对合金疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,随着温度升高,合金疲劳裂纹扩展速率的增长幅度变大。800℃时,合金的疲劳裂纹扩展速率急剧增大。温度升高,疲劳裂纹的扩展方式发生了明显变化,650℃时断口为沿晶和穿晶断裂混合型,700~800℃时断口以沿晶断裂为主。保载时间延长,裂纹扩展速率加快,且裂纹扩展速率的温度敏感性增加。     

含B2相TiAl金属间化合物的室温韧化机理研究（英文）

通过三点弯曲断裂和卸载试验对含B2相TiAl金属间化合物的韧化机理进行研究,通过双缺口四点弯曲试验确定解理断裂的临界事件。通过扫描电子显微镜和能谱分析观察断口形貌和裂纹扩展路径。结果表明:(1)3PB试验的载荷位移曲线为线性关系,B2相对裂纹的起裂无影响;(2)块状B2相对裂纹的扩展有一定的阻碍作用,裂纹遇到B2相停止或绕过B2相继续扩展;(3)解理断裂的临界事件为沿缺口根部开裂裂纹的扩展,穿层断裂对临界事件起着重要的作用;(4)这种材料的韧化机理包括:块状B2相韧化,裂纹偏转,穿层断裂和剪切韧带韧化。     

分形用于金属断裂研究的力学量选择问题SCIEI

本文给出了一个描述临界裂纹扩展力的分形模型．指出：断口的分形结构是裂纹扩展过程的产物，因此将分形用于金属断裂研究时，所选择的力学量应该能表征裂纹扩展过程所具有的耗散性；弹性断裂力学的ＫＩｃ、ＪＩｃ等裂纹起裂韧性与断口的分形维数是不相容的．     

FRACTAL DIMENSIONALITY AND CRITICAL EXTENSION FORCE

Using gauge field theory of defects,the effective critical extension force in elastic-plasticfracture mechanics was given.The rationality of logarithm of effective extension force as alinear function of the fractal dimensionality of the fracture surface was analyzed in theory.The explanation in approach to studying material toughness using fractal has been clarified.     

易切削钢冲击断口分维的随机分形分析

建立横向冲击时易切削钢裂纹扩展的随机分形模型，计算了冲击断口的随机分形维数Ｄ，比较和分析了Ｄ、非随机分形维数与实测分形维数。结果表明随机分形断裂模型与实验数据完全吻合。     

Q690CFD高强钢焊接热影响区的断裂韧性

选用Gleeble-1500试验机模拟了两种成分Q690CFD高强钢的焊接粗晶热影响区(CGHAZ),测试了CGHAZ的冲击韧性,并通过三点弯曲试样,测试了CGHAZ的CTOD特征值. 利用SEM对CTOD试样断口及近断口区裂纹扩展行为进行了分析. 结果表明,示波冲击止裂功及CTOD特征值δm/c/u(8)随温度降低呈明显下降趋势;将CTOD特征值δm用Boltzmann函数拟合后所得脆韧转变温度与示波冲击变化规律相对应;两种成分钢的CTOD失稳裂纹扩展路径与近断口区组织亚结构中大角度晶界和M/A分布位置有关.     

Grain boundary engineering based on fractal analysis for control of segregation-induced intergranular brittle fracture in polycrystalline nickel

The effect of grain boundary microstructure on the fracture resistance of sulfur-doped polycrystalline nickel was investigated using specimens with different grain boundary microstructures to reveal the usefulness of grain boundary engineering for control of segregation-induced intergranular brittle fracture of polycrystalline materials. The sulfur-doped polycrystalline nickel specimen with more homogeneous fine-grained structure and a higher fraction of low-Σ coincidence site lattice (CSL) boundaries shows higher fracture resistance than the specimen with coarse-grained structure and a lower fraction of low-Σ CSL boundaries. It was found that high-energy random boundaries play a key role as the preferential crack path in fracture processes. The resistance to sulfur segregation-induced intergranular brittle fracture was evaluated by analyzing the fractal dimension of random boundary connectivity in the polycrystalline nickel specimens studied. The fractal dimension of random boundary connectivity decreases with increasing fraction of low-Σ CSL boundaries, resulting in the generation of a higher fracture resistance by restricting more frequent branching and deflection of propagating crack path along random boundaries from the main crack.     

腐蚀疲劳裂纹扩展的断裂模型

将修正的疲劳裂纹扩展静态断裂模型和裂尖腐蚀溶解相结合,提出了腐蚀疲劳裂纹扩展(CFCP)的腐蚀-钝化-断裂模型.根据该模型和断裂力学原理,导出了CFCP速率的定量表达式,它揭示了CFCP速率与力学条件,裂尖表面腐蚀率、加载频率、假设的裂尖材料元临界断裂应力之间的定量关系,并能说明氢脆对CFCP率的影响规律。实验结果表明,应用所提出的模型可很好地描述铝合金在35％NaCI中CFCP的一般规律。     

Toughening Mechanisms of Lamellar TiAl Alloys Containing B2 Phase at Room Temperature

通过三点弯曲断裂和卸载试验对含B2相TiAl金属间化合物的韧化机理进行研究,通过双缺口四点弯曲试验确定解理断裂的临界事件。通过扫描电子显微镜和能谱分析观察断口形貌和裂纹扩展路径。结果表明:(1)3PB试验的载荷位移曲线为线性关系,B2相对裂纹的起裂无影响;(2)块状B2相对裂纹的扩展有一定的阻碍作用,裂纹遇到B2相停止或绕过B2相继续扩展;(3)解理断裂的临界事件为沿缺口根部开裂裂纹的扩展,穿层断裂对临界事件起着重要的作用;(4)这种材料的韧化机理包括:块状B2相韧化,裂纹偏转,穿层断裂和剪切韧带韧化。     

分形维数与临界扩展力SCIEI

本文利用缺陷规范场理论给出有效临界扩展力,并且从理论上分析了有效临界扩展力的对数值是断口分形维数的线性函数的合理性,澄清了分形用于断裂韧性研究中存在的不定性问题。     

Hidden order in the fracture surface morphology of metallic glasses

We report the fractal nature of dimple structures on the fracture surface of various metallic glasses (MGs) with significantly different mechanical properties. The analyzed fractal dimension increments of MGs lie in a narrow range of 0.6–0.8. The results indicate that the MGs with marked differences in plasticity and toughness may have a unified local softening mechanism and similar nonlinear plastic behavior in front of the crack tip during fracture. We present a physical picture for the dimple structure formation from the plastic zone in front of the crack tip. The evolution of the plastic zone from the interaction of the shear transformation zones is theoretically modeled as a stochastic process far from thermodynamic equilibrium, and the model can capture the formation and fractal nature of the dimple structures on the fracture surface of metallic glasses.     

Fracture behavior of lamellar structure in Ti-48Al-2Mn-2Nb alloy produced by centrifugal spray deposition

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ ,ａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｐａｉｄｔｏｇａｍｍａｔｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉｄｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙａｔｔｒａｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[1～ 3].Ａｌｏｔｏｆｆｕｎｄａｍｅｎ ｔａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｎｇａｍｍａｔｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉｄｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｍａｄｅｗｏｒｌｄｗｉｄｅｔｏｆｕｒ…