NiCr/ZrO2功能梯度复合材料中混合型准静态裂纹启裂的数字散斑相关方法实验研究

采用粉末冶金方法制备出NiCr/ZrO₂功能梯度材料FGMs。通过2种断裂试件研究了材料梯度对混合型断裂行为的影响(FGM-A试件,裂纹位于试件的弹性模量较大一侧;FGM-B试件,裂纹位于试件的弹性模量较小一侧)。对2种断裂试件在非对称载荷下进行准静态断裂实验,并利用数字散斑相关方法测得Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。结果表明：FGM-A的裂纹的开裂角小于FGM-B的开裂角;FGM-A的弹性梯度对静态裂纹有保护作用;弹性模量的梯度变化和裂尖局部材料的断裂韧性会影响混合型裂纹的启裂。     

加工硬化对304不锈钢应力腐蚀裂纹裂尖力学性能的影响

压力管道中应力腐蚀开裂(SCC)是奥氏体不锈钢的主要失效形式之一,同时冷加工变形对材料的力学性能和裂纹的萌生及扩展会产生一定影响。本工作首先利用疲劳拉伸机获取304不锈钢不同冷加工硬化下的材料本构参数,同时利用有限元仿真软件ABAQUS建立了SCC裂纹裂尖宏观分析模型及子模型,研究不同加工硬化下304奥氏体不锈钢材料的SCC裂纹裂尖应力应变、J积分及裂纹扩展速率的影响。结果表明,材料在20%冷加工率变形内,随着材料加工硬化程度的增加,SCC裂纹裂尖Mises应力、J积分逐渐增大,裂纹裂尖应变(PEEQ)减小,一定程度加工硬化会促进和加速304不锈钢发生应力腐蚀开裂。     

不同倾角裂隙混凝土试件动态力学破坏特性试验研究

为了探讨含不同倾角裂隙的混凝土试件在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对含有5种不同倾角裂隙的混凝土试件进行了冲击试验,借助高速摄像系统实时捕捉了裂纹扩展和动态破坏过程。结果表明：倾角为30°的裂隙试件的反射波波幅相对最大,倾角为0°的裂隙试件的反射波波幅相对较小。当预制裂隙倾角为0°时,冲击波耗散较少,透射波波幅较大;当预制裂隙倾角为60°时,冲击波耗散较多,即当应力波传播方向与预制裂隙夹角为60°时试件最容易发生破坏。冲击荷载下新形成的裂纹整体上均沿着预制裂隙尖端起裂、扩展和贯通,破坏模式主要为压应力作用下的张拉破坏;在相同预制裂隙宽度下,长度为20 mm预制裂隙的破坏形式比10 mm长度预制裂隙试件更加简单,形成新裂纹的数量相对较少,且更容易沿预制裂纹尖端方向向外起裂;巴西圆盘试件在冲击荷载的破坏形式与预制裂隙长度密切相关,与裂隙宽度关联性较弱。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

裂隙岩体冲击韧性及破坏模式实验

为研究裂隙对岩体冲击韧性及破坏模式的影响规律,以及裂隙岩体在高应变率下的动态破坏特征,采用摆锤式冲击实验机对裂隙及完整岩体进行了不同冲击速度、不同裂隙条件下的冲击实验。实验结果表明,对长度相同的完整试件而言,试件直径越大,即试件体积越大,试件破碎就越充分,断面也越不规整;试件中的裂隙长度越长,试件破坏时的吸收功就越小,冲击韧性也越小,试件吸收功和冲击韧性随裂隙长度的增加而减小;试件裂隙角度越大,试件破坏断面就越不规整,试件破坏后的块度也越不均匀,试件吸收功和冲击韧性随裂隙倾角的增大而减小。     

冲击作用下混凝土裂纹扩展试验研究及数值模拟

采用改进的分离式霍普金森杆(SHPB)分别对混凝土无切槽平台巴西圆盘FBD(Flattened Brazilian Disc)、直切槽平台巴西圆盘CSTFBD(Cracked Straight-Through Flattened Brazilian Disc)试件进行不同应变率的径向劈裂试验,得出无切槽平台巴西圆盘的劈裂拉伸应力-径向应变曲线,以及三种不同强度等级混凝土的动态弹性模量、峰值应力、峰值应变、拉伸敏感系数的应变率效应。此外,分析了不同角度预制裂纹对中心直裂纹巴西圆盘断裂韧性的影响以及复合裂纹的复合比与加载角度的关系。采用ABAQUS中的扩展有限元法对劈裂冲击试验中的直切槽平台巴西圆盘的破坏过程进行了模拟,并且对试件的裂纹扩展和破坏机理进行了分析,将数值模拟得到的结果与试验结果进行对比,得到主裂纹的扩展趋势是一致的。     

基于裂纹开裂角度的夹层板层间开裂

以聚氨酯弹性体钢夹层板为研究对象,对黏弹性夹芯夹层结构三点弯曲实验卸载后裂纹会沿层间方向继续扩展这一现象进行研究。开展了不同硬度夹芯的双悬臂梁(Double Cantilever Beam,DCB)实验和单悬臂梁(SLB)实验,测得了临界应变能释放率。在假设裂纹张开角度在开裂过程中不变的前提下,推导了临界应变能释放率的计算公式。并计算了软夹芯试件和硬夹芯试件的临界破坏的裂纹长度。结果表明,虽然存有一定的局限性,但是裂纹张开角度能够描述黏弹性夹层结构的层间裂纹扩展,获得的结果能够描述聚氨酯弹性体钢夹层板的层间延迟破坏的特点。     

用应变片法确定混凝土动态起裂时间的研究

在混凝土等准脆性材料的动态起裂韧度K_(1d)测试中,准确确定试件裂尖的起裂时间是测试工作的关键。采用分离式霍普金森压杆系统,对圆孔裂纹平台巴西圆盘混凝土试件进行动态径向冲击试验,通过在裂尖粘贴应变片的方法来确定起裂时间。讨论了应变片在裂纹尖端的粘贴位置、粘贴方向等因素对起裂时间测试值的影响,结果表明裂尖应变片的最佳粘贴方式是:在裂纹延长线上或在裂尖并与裂纹垂直的线上,都距离裂尖3 mm左右,且粘贴方向与裂纹延长线垂直。给出了考虑贴片位置和试件厚度的起裂时间计算公式。     

剪切带内部应变(率)分析及基于能量准则的失稳判据

应用应变梯度塑性理论对局部化剪切带内部(塑性)剪应变(率)规律进行了理论分析.研究了剪切降模量及岩石材料内部长度等参数对剪切带内部应变(率)的影响.推导了剪应力(率)与剪切带相对错距(速度)的本构关系.研究了剪切降模量和岩石材料内部长度对剪切带稳定性的影响.将岩石试件直剪试验试验机简化为钢块,采用能量准则对岩石试件(剪切带)及钢块系统的稳定性进行了理论研究,提出了系统失稳判据.研究表明;岩石材料的剪切降模量越大,岩石材料的内部长度越小,试验机的剪切刚度越小及试验机的等效高度越大剪切带--钢块系统越容易失稳.     

CTOA测试中的约束分析

针对实验研究约束不易操作、难以测量的状况,采用有限元Gruson孔洞模型建立SENB试件、CT试件和MCT试件的有限元模型,研究试件类型、厚度对裂尖轨迹的影响,以及试件厚度、裂纹扩展量和约束表征参数对裂尖约束的影响。研究结果表明:试件类型对于裂尖轨迹影响较小,试件厚度对裂尖轨迹影响显著;约束沿厚度方向和裂纹扩展方向变化明显,全局约束因子αg和应力三轴度Am等效,该结论对CTOA测试及理论分析有较大的理论价值和指导作用。     

冲击载荷下双预置裂纹三点弯曲梁动态断裂实验

采用数字激光焦散线实验系统,对双预置裂纹三点弯曲梁进行了动态冲击实验,分析了双预置裂纹对试件裂纹尖端扩展速率和动态应力强度因子值的影响。实验结果表明:1双预置裂纹三点弯曲梁在动态冲击实验中,B裂纹作为开裂裂纹,其起裂时间和扩展速率峰值受到冲击载荷加载点与其预置位置之间水平距离值的影响,距离越小,起裂越快,扩展速率峰值越大;2试件开裂后,裂纹的裂纹扩展速度和动态应力强度因子值随时间的变化曲线均具有快速上升然后波动下降的规律;3B裂纹起裂所需能量随着A、B裂纹间距a值减小而增大。     

小裂纹条件下核电关键材料304的裂尖力学特性

小裂纹条件下的环境致裂是准确预测核电关键构件在役寿命和确定检修周期的重要技术环节,但是目前对小裂纹下的环境致裂扩展少有研究。本文以核电关键材料304作为研究对象,利用断裂力学弹塑性有限元分析研究稳态下小裂纹裂尖的力学特性,研究结果表明,线弹性条件下裂纹长度对裂尖应力应变场影响不大,但是在弹塑性条件下,裂纹长度小于约1mm之后,裂纹长度减小时J积分和CTOD都明显增大,甚至远大于长裂纹条件下的参考值,此时再使用J积分和CTOD来描述裂尖强度会有很大偏差。研究工作对后续研究及工程应用有一定的参考价值。     

BT20钛合金激光焊接接头的断裂韧性研究

对BT20钛合金及其激光焊接接头的断裂韧性进行了研究.同时分析了合金及激光焊接接头的硬度分布及显微组织.断裂实验表明,除了一个焊接接头紧凑拉伸(CT)试样是脆性启裂外,其它CT试样均在裂纹延性启裂并缓慢扩展后,发生脆性失稳断裂.母材的断裂韧性明显高于焊接接头,轧制方向对母材断裂韧性的影响不明显.焊接热影响区的断裂韧性介于母材和焊缝金属之间.本研究采用的焊后热处理没有改善焊接接头的断裂韧性,还有进一步恶化的趋势.添加活性剂对焊缝金属的断裂韧性没有明显作用,但对延性裂纹扩展长度有所改善.     

风力机叶片复合材料裂尖温度场及微观损伤研究

依据热力耦合建立含微缺陷叶片的裂尖温度场数值模型,并研究了微缺陷叶片断裂微观损伤方式。首先,建立裂尖温度场数学模型需要确定塑性区范围和塑性区内的内热流密度函数。基于正交各向异性复合材料裂纹尖端应力场和Tsai-Wu屈服准则理论推导,得到含微缺陷风电叶片Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的塑性区范围;内热流密度函数按照裂纹扩散规律构造。其次,利用电子扫描电镜技术对叶片试件的断口失效微观结构进行检测。通过红外热像仪监测微缺陷叶片试件表面温度实验,验证了裂尖温度场计算模型的准确性;确定计算温度场模型中内热流密度函数幂数为2;通过显微技术发现含气泡缺陷的叶片试件有纤维断裂、基体开裂损伤方式。     

改性聚丙烯材料裂尖银纹损伤研究

本文考虑了改性聚丙烯(PP)材料的线粘弹特性，基于银纹是聚合物材料的一种非线性变形方式，对改性PP材料裂尖应力银纹损伤进行实验研究。采用云纹实验方法，得到了改性PP材料裂尖延长线上由于银纹损伤引起的应变的分布，对裂纹尖端扩展进行了扫描电镜(SEM)观察实验，将两组实验进行对照分析，通过定性分析提出了不同于其他学者提出的考虑裂尖银纹损伤的裂纹扩展规律。     

基于断裂力学的裂隙岩体强度分析初探

基于断裂力学讨论裂隙岩体的强度一直是断裂力学与岩石力学等学科的重要课题。通过分析单个线性裂纹在压缩载荷作用下的剪切断裂条件,明确了压缩状态下张破裂剪切断裂韧性的物理意义及求解办法。使用复变函数和边界配置法求解了裂尖应力强度因子无量纲系数,进而对张破裂压剪准则进行了改进,使之更加便捷地进行有限裂纹体断裂的预测。基于修正的压剪判据推导了裂隙岩体试件的抗压强度求解公式,算例表明该文方法所建立的强度公式是准确、可靠的。最后,详细讨论了摩擦系数、裂隙倾角、裂隙长度、黏聚力以及围压对裂隙岩体试件抗压强度的影响机理。     

动态断裂韧性实验中DIC技术应用研究

高速冲击动态断裂韧性的加载和测试技术一直是近年关注的热点,随着计算机和光学传感器的发展,采用数字图像相关方法测量材料的动态断裂韧性已成为重要选择。该文基于分离式Hopkinson压杆原理的加载技术,通过高速摄影机拍摄高速冲击下三点弯曲试样裂纹的起裂和扩展,运用数字图像相关技术分析裂尖场的散斑图像,计算得到相应的应变场变化,试样外表面处于平面应力状态,其裂尖应变场呈现"0"型,而非试样对称面所处于的平面应力状态下呈"8"型。结果表明,DIC技术可以应用于动态断裂韧性实验,也证明裂尖场粘贴的应变片测量试样起裂的有效性。     

快速断裂与止裂研究

本文采用有限差分析法分析了结构钢脆性裂纹扩展与止裂的试验结果。所用试样为双拉伸试样和双悬臂梁试样。据认为,动态研究对全面解释快速断裂与止裂是不可缺少的;同时,材料韧性可被定义为温度和开裂速度的函数。如果试样的边界加载条件已知,则用所定义的断裂韧性,采用裂纹扩展模拟方法就能够预测出开裂——扩展——止裂行为。这就意味着有可能研究出设计裂纹止裂装置的简易方法。     

具有理想与非理想界面的双材料四点弯曲试件的界面断裂韧性

本文作者用边界元法研究了具有理想与非理想界面的双材料四点弯曲试件的界面断裂韧性.分析了理想界面裂纹尖端的复应力强度因子以及非理想界面裂纹前沿的应变能密度与试件的几何尺寸、双材料的性质等的关系.计算结果表明,当裂纹的长度小于试件内支点的跨度时,上述两个物理量在很大范围内不随裂纹长度而变化.这种稳态的特性为两者的临界值的实验测定提供了方便.      

冲击荷载下深梁动态断裂行为的光弹性实验

采用动态光弹性实验方法,对简支深梁进行冲击实验,研究其冲击动态断裂行为。实验得到了冲击断裂过程中深梁的等差条纹变化图片,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。研究结果表明:由于应力波的作用,在试件开裂前,预制裂纹尖端应力强度因子KdI始终呈波动上升的趋势,最大值为1.995MPa·m~(1/2);试件起裂后,裂尖动态应力强度因子KdI先迅速下降,然后保持在1.222~1.677 MPa·m~(1/2)内震荡,平均值为1.458 MPa·m~(1/2);裂纹起裂后,扩展速度先迅速增大,后保持在310~380 m/s,动态裂纹基本呈匀速扩展,平均扩展速度为345.703 m/s。