建筑用常温6063铝合金纵向拉伸研究

以Al-Mg-Si系6063铝合金(T5)为研究对象,用万能试验机在温度为24℃下进行6063铝合金纵向拉伸试验,用扫描电镜进行断口形貌分析。结果表明:不同纵向拉伸角度试样最小截面上正应力与剪应力分布不同,0°及30°纵向拉伸正应力较大,剪应力几乎不存在,试样由于正应力形成裂纹与扩展;45°纵向拉伸正应力与剪应力均较大,试样由于剪应力形成裂纹;60°及90°纵向拉伸剪应力较大,正应力几乎不存在,试样由于剪应力形成裂纹与扩展。6063铝合金试样屈服强度与断裂强度随拉伸速度增大而增大,断裂应变随拉伸速度增大而减小,抗拉强度不受拉伸速度影响;随着三轴应力度不断降低,断口形貌越来越光滑。45°和90°断口形貌呈相反走势,韧窝轮廓凸向也相反。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态巴西实验的数值模拟

高聚物粘结炸药(PBX)是战斗部的关键组成部分,其动态力学行为,特别是动态断裂特性关系到战斗部的安全性和使用可靠性。基于内聚裂纹模型,对PBX模拟材料(PBX-M)的动态巴西实验进行数值模拟,对比霍普金森杆实验中测得的拉伸应力曲线,以及高速摄像结合数字图像相关方法得到的试样表面位移场和应变场。对比结果发现,拉伸应力峰值的数值模拟结果比实验结果小约5%,拉应变集中带的数值模拟结果与实验结果的偏差小于15%,验证了内聚裂纹模型的有效性。根据数值模拟结果,探讨了PBX-M试样在动态巴西实验过程中的起裂和裂纹扩展规律,给出了裂纹宽度的定量化信息。     

应力波载荷作用下材料断裂韧性JId测试研究

本文建立了一个测定动态弹塑性断裂韧性JId的方法。该方法利用改进的Hopkinson压杆加载Charpy冲击试样,利用压杆上应变片记录的入射应力波和反射应力波,由一维应力波理论得到试样所受的载荷和加载点位移,在建立的裂纹尖端张开位移COD和裂纹扩展量△a的关系中,令△a=0,可得到裂纹起裂时的临界（COD）,从而确定裂纹的动态起裂点,与其它方法相比,本文的方法不需要昂贵的仪器来测试动态断裂参数;不需将应变片贴在试样上确定起裂时间,所以该方法可在较高或较低的温度下使用;在动态弹塑性断裂韧性JId的计算中,考虑了材料的动态应力一应变行为,使测得的JId值能更好地反映材料在应力波载荷作用下的动态断裂性能。     

应力波载荷作用下材料断裂韧性JId测试研究

本文建立了一个测定动态弹塑性断裂韧性JId的方法。该方法利用改进的Hopkinson压杆加载Charpy冲击试样,利用压杆上应变片记录的入射应力波和反射应力波,由一维应力波理论得到试样所受的载荷和加载点位移。在建立的裂纹尖端张开位移COD和裂纹扩展量Δa的关系中,令Δa=0,可得到裂纹起裂时的临界（COD）c从而确定裂纹的动态起裂点。与其它方法相比,本文的方法不需要昂贵的仪器来测试动态断裂参数;不需将应变片贴在试样上确定起裂时间,所以该方法可在较高或较低的温度下使用;在动态弹塑性断裂韧性JId的计算中,考虑了材料的动态应力—应变行为,使测得的JId值能更好地反映材料在应力波载荷作用下的动态断裂性能。     

高性能管线钢动态断裂性能的试验与数值模拟研究

采用不同锤高对X90管线钢试样进行落锤撕裂试验,利用GTN微观损伤模型对试验过程进行有限元模拟,详细研究裂纹稳态扩展速度与临界裂尖张开角的关系,并对试验和模拟结果进行分析和对比。结果表明:试样的断裂韧性随稳态断裂速度的增大而减小;有限元计算的断裂速度、裂尖张开角与试验结果吻合较好,GTN微观损伤参数能较好地应用于X90管线钢的动态断裂分析;现有的DWTT方法在评估试样的断裂韧性时存在缺陷,应考虑试样的起裂和冲击变形对评估的影响。     

16MnR钢的动态拉伸力学性能实验研究

在自制的冲击摆杆-杆型冲击拉伸试验机上,以16MnR钢为研究对象,进行了3个应变率的冲击拉伸实验,得到16MnR钢在不同应变率下的应力-应变曲线。测试结果表明:随着应变率的提高,材料的动态极限强度随之增大,表现出明显的应变率强化效应;通过对冲击拉伸试样断口扫描电镜分析可见,材料断口出现了比较均匀的韧窝,其断裂是韧性断裂;应变率对断口的影响不明显。     

考虑T应力的PBX裂纹尖端失效区和起裂行为

为了研究高聚物粘结炸药(PBX)结构在复杂应力状态下裂纹的起裂特征,针对中心贯穿斜裂纹的无限大平板模型,基于考虑T应力的裂纹尖端应力场和Drucker-Prager强度准则,理论上给出了考虑材料拉压比、泊松比、静水压力、应力状态、裂纹面闭合摩擦以及T应力的PBXⅠ-Ⅱ复合型裂纹尖端失效区隐式控制方程。利用裂纹尖端失效区最小半径起裂准则,研究了T应力对PBX裂纹尖端失效区和起裂行为的影响。理论研究表明,远场拉伸下,T应力导致裂尖失效区增大(0°β45°)或减小(45°β90°),T应力使裂纹起裂角减小;远场压缩下,裂纹处于纯Ⅱ型状态,裂纹面闭合摩擦效应减小了裂尖失效区,但不影响起裂角。T应力使压剪裂纹起裂角增大并减小了失效区。同时,T应力使最危险裂纹倾角β0明显增大。因此,研究PBX裂纹起裂行为,需要充分考虑裂纹尖端T应力的影响。     

冷作模具钢DC53断裂性能研究

针对冷作模具钢DC53的断裂失效情况,开展断裂韧度及疲劳裂纹扩展试验,获得材料断裂性能参数。基于线弹性断裂力学理论,运用三维断裂分析软件FRANC3D模拟计算含有穿透型裂纹的标准紧凑拉伸CT试样的裂纹前缘应力强度因子,由Paris公式计算裂纹扩展寿命,并将理论计算、数值模拟和断裂力学试验进行对比研究。结果表明:数值模拟、理论计算以及试验得到的裂纹扩展寿命在16.7%的合理误差范围内。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态断裂行为研究

对某高聚物粘结炸药（PBX）模拟材料的动态拉伸断裂行为进行研究。针对该材料开展了基于霍普金森压杆的动态带预制裂纹半圆盘弯曲实验,并结合高速摄像与数字图像相关方法,得到了试样动态破坏过程中的位移场和应变场。基于内聚裂纹模型,对其动态拉伸破坏过程进行了数值模拟。数值模拟与实验结果进行对比后发现,拉伸应力曲线、试样破坏前后变形场等结果符合较好。根据数值模拟结果,分析了PBX试样在动态预制裂纹半圆盘弯曲实验过程中的裂纹扩展演化规律,得到裂纹宽度比实验结果偏小约15%的结论。     

基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

激光淬火对40CrNiMo高强度钢拉伸性能与断口形貌的影响

利用CO₂激光对40CrNiMo高强度钢表面进行了淬火处理,通过拉伸对比试验分析了激光淬火处理对试样拉伸性能的影响,用扫描电镜和能谱分析仪观察了激光淬火前后试样断口形貌与化学成分组成,并对其断裂机理进行了探讨。结果表明：激光淬火后40CrNiMo的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高了25.3%、24.4%和7.1%,而断面收缩率降低了7.6%,存在明显的屈服阶段,呈现出连续屈服特征;与原始试样相比,激光淬火后40CrNiMo的屈服强度和抗拉强度明显提高,拉伸断裂方式和分层现象没有明显改善,试样表面断口处孔隙率降低,呈现准解理形貌。     

混凝土材料拉伸强度的应变率强化效应实验研究

混凝土材料的拉伸强度具有明显的应变率强化效应。采用同批制作的混凝土圆盘和圆杆试样,利用霍普金森杆加载,进行动态劈裂实验和一维杆应力波层裂实验。借助超高速摄像机、数字图像相关(DIC)等测试方法观察实验中试件破坏过程,以准确测量混凝土材料在不同应变率下的拉伸强度。在劈裂实验中注重加载方式,以保证试件满足求解弹性解析解的中心起裂条件;在层裂实验中精确确定层裂发生位置和时刻,获得了可靠的材料拉伸强度,并分析劈裂拉伸与层裂拉伸强度的应变率强化规律。研究结果表明:对于动态劈裂实验,DIC方法显示圆盘中心起裂与否的临界应变率约为10 s^-1;而对于层裂实验,采用DIC方法可以得到多次层裂对应的拉伸强度及相应的应变率(10～100 s^-1);通过线性拟合拉伸强度应变率强化规律,层裂拉伸强度随应变率增长的斜率较劈裂实验结果偏高,混凝土的层裂拉伸强度动态增强因子可达5以上。所得研究结果对脆性材料动态拉伸强度及应变率强化效应的准确测量,具有一定的参考意义。     

渗碳钢中疲劳裂纹的萌生与扩展

在渗碳试样疲劳断口上,通常能看到一个小而光滑的穿晶起始裂纹,周围是大面积的沿晶区域,裂纹可以位于表面或表面以下。迄令,尚不知第一条小裂纹是如何萌生和如何长大的,以及沿晶部分是否真是疲劳裂纹。为阐明这一点,在承受弯曲疲劳的渗碳梁型试样上进行了裂纹萌生与扩展的研究。用醋酸纤维素复型记录表面裂纹形状,再用显微镜仔细观察其复型。由一系列复型的观察结果就能估算出裂纹长大速率。根据从复型和断口得到的资料讨论了裂纹的萌生机制。本文还提供了由最终断裂的实际裂纹形状计算的断裂韧性数据。     

含裂纹HTPB推进剂断裂准则研究

固体推进剂装药的表面裂纹严重影响着发动机的工作安全性。现阶段广泛使用的应力强度因子、J积分等断裂韧性指标不能直接应用于复合推进剂装药。为了得到HTPB推进剂Ⅰ型裂纹在中低应变率下的断裂准则,本文使用试验和数值仿真方法建立了一种基于应变的断裂准则。准则建立过程中分别使用标准试样和单边裂纹试样进行单轴拉伸试验,结合有限元方法计算了裂纹前端的应变强度因子。结果显示对于HTPB推进剂在中低应变率下使用本文中基于应变的断裂准则比基于应力的断裂准则实用性更强。     

拉伸速度对充氢的D6AC钢形变和断裂的影响

本文研究了拉伸速度和充氢时间对D6AC钢力学性能及形交断裂的影响。结果发现:此钢的塑性指标随拉伸速度的提高而增加,随充氢时间的加长而减小。于现有的充氢条件下,在较短的充氢时间里,存在一个临界拉伸速度,大于此拉伸速度时,材料对氢脆不敏感。而且存在着一个临界充氢时间,大于此充氢时间,在各自的拉伸速度下,塑性基本保持不变。从断口观察结果可见:随充氢时间的加长,试样的断裂源由中心移到边部,断裂方式从穿晶转成沿晶,沿晶断口所占比例随充氢时间的增长而增加。在较短的充氢时间里,随拉伸速度的增高,断裂源由边部移到中心。总之,这与氢脆的敏感性随充氢时间的减短和拉伸速度的提高而减小的结果完全一致。     

带有幂次内聚断裂模型的韧性碎裂

固体在受到冲击载荷作用时常常会断裂成多个碎片(碎裂),对冲击碎裂过程的研究对工程防护和国防军事具有重要意义。影响碎片尺寸的关键参数包括加载速率、材料强度和韧性、断裂形态等因素。采用非线性的幂次内聚力模型来描述材料的断裂过程，分析断裂和卸载波传播的耦合过程，给出断口完全断裂时间、卸载波传播距离及碎片平均尺度的解析表达；采用有限元数值模拟不同损伤断裂路径下的韧性碎裂过程，得到断口形貌和破碎产生碎片的平均尺寸。研究结果表明：随着幂次指数k的减小，卸载波的传播距离单调增加，产生碎片的平均尺寸也增加，并且碎片断口变形更大；在诸多可能的非线性损伤演化路径中，存在一种断口位置以最快速卸载方式的损伤断裂模型，该模型对应于幂次指数k=0.5的情况，更接近刻画断口区的断裂发展过程。     

PBX衬垫巴西试验研究

1引言巴西试验也称径向加载试验,此方法在圆片试样的柱面施加一对径向载荷,使受压直径产生拉应力,当圆心处的拉应力超过材料的拉伸强度时起裂破坏,用此拉应力表征材料的拉伸强度。由于传统巴西试验的施     

圆筒压力容器表面裂纹和穿透裂纹的断裂分析

应用作者以前所研究的断裂准则分析带表面裂纹和穿透裂纹的圆筒压力容器断裂数据,以了解此准则与断裂数据符合的情况如何。用此断裂准则分析了文献中铝合金、钢和环氧树脂压力容器表面裂纹的断裂数据及铝合金、钛合金、钢和黄铜容器穿透裂纹的断裂数据。对很宽范围的裂纹尺寸和容器直径,表面裂纹或穿透裂纹的破坏应力与断裂准则的偏差在10％以内。对含有穿透裂纹的平板(中心裂纹或双边裂纹的拉伸试件)和圆筒压力容器,也发现破坏应力与断裂准则的偏差在10％以内。     

一种新型钛合金半固态锻造后的断裂行为研究

以新型钛合金Ti14为对象,对比研究常规和半固态锻造合金经不同时间热暴露后的室温拉伸性能,探讨热暴露后的断裂行为及其断裂机制。结果表明,半固态锻造试样热暴露后的强度均明显高于常规锻造试样,而塑性略低于常规锻造试样。常规锻造试样宏观断口三要素清晰可见,断口由细小的韧窝组成,韧窝密度较大;半固态锻造试样纤维区模糊,剪切唇区较大,断口为韧窝和解理的混合型断口,并伴随少量二次裂纹的出现。析出相的尺寸、形态、分布的差异是导致两种锻造态合金热暴露后断裂机制改变的主要原因。     

金属材料动态剪切测试方法

材料的动态剪切性能参数是进行弹箭及装甲防护系统设计的重要基础。由于目前所采用的拉伸剪切试样在应力均匀性及受力状态方面仍存在问题，给测试结果的准确性带来影响。采用数值模拟对5种常见拉伸剪切试样进行了对比分析，并针对现有问题设计出一种新型拉伸剪切试样。该试样在准静态、动态加载下应力分布均匀而且接近纯剪切的应力状态，适合在大应变率、大应变范围内对材料的剪切力学性能进行准确测试。通过与压缩加载下双剪切试样的测试结果进行对比，发现两种试样获得的应力-应变曲线吻合较好，而且新型试样具有更长的塑性流动段。采用有限元软件对TC4钛合金试样的变形及断裂过程进行了模拟，并通过与高速摄影结果进行对比发现两者剪切区的变形及裂纹扩展情况相互吻合，从而验证了试样设计及数值模拟结果的有效性。