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.     

Fractal analysis of crack paths in Al2O3-TiC-4%Co composites

1 Introduction Al2O3-TiC composite (denoted by AT) is an important material for structural components due to the high strength, hardness, as well as chemical stability and wear resistance. However, the low fracture toughness still cannot match the comman…     

岩体断裂几何形状的分形研究

综合论述了岩体断裂几何形状(断层系、节理网络和微裂纹群)的自相似性,其复杂程度能通过分形维数给予很好的定量描述。结果表明,分形维数与岩体载荷作用的历史紧密相关,各类断裂形状间存在嵌套似的分形结构。另一方面,以实测数据为基础,检验了节理间距分布的统计自相似性,提出了间距分布的分形模型,并与负指数分布进行分析对比。     

分形理论在机械设备状态监测与故障诊断中的应用

分形理论是研究非线性问题的重要手段.介绍分形理论的基本概念,对分形特征进行了数学描述,并提出各种分形维数的计算方法和应用范围,论述分形理论在机械设备状态监测、磨损失效分析、断裂和裂纹失效分析、腐蚀失效分析和超声波检测等方面的应用.     

Fe3Al基金属间化合物的塑性与断裂机制

用分形学研究了 Fe__3Al 基金属间化合物断裂表面的分形维数与温度、塑性及断裂机制之间的关系。结果表明,其拉伸塑性及断裂模式与分形维数 D_F 存在对应关系;其分形维数随温度变化的特征反映了塑性变化特征;且其 D_F 值随测量码尺范围的变化而变化,并分别与占主导地位的断裂机制或微观结构相联系。     

分形计算方法及在材料表界面中的应用

主要介绍分形这一几何方法在材料表界面研究中的应用。通过对国内外文献及资料的查阅了解，分别介绍了材料表界面分形维数的计算测定方法以及分形理论在材料表界面领域中的研究现状。对分维计算方法如网格法、小岛法和实验测定方法（吸附法）等做了详细的分析，对分形在材料表界面上的应用前景也进行了展望，分析了分形理论在表界面应用研究中的可行性。     

分形理论在航空液压管路裂纹故障诊断中的应用研究

针对航空液压管路振动机制复杂、故障关联性较强、故障表征不明显、早期裂纹故障和扩展状态识别率不高等问题,提出一种基于分形理论的故障诊断方法。利用可以解决复杂分形问题的分形理论,通过仿真正、余弦信号并计算其广义维数,可知广义分形维数可以描述信号特征。利用广义维数对振动信号进行分形分析,由广义维数谱图和广义维数变化规律可看出,广义维数不仅能诊断出航空液压管有无裂纹故障,同时能够识别裂纹早期故障。分析分形广义分形维数表可知:液压管的广义分形维数值随着裂纹长度的增加而增大,其增加值成倍数增长,因此通过广义分形维数的变化可以定量分析液压管裂纹故障的扩展状态。     

多孔结构分形分析及其在材料性能预报中的应用

采用分形理论表征孔隙的结构特征,通过对烧结不锈钢纤维多孔材料的扫描电镜(SEM)照片进行图像处理和分形分析,详细研究图像分辨率、获取图像时的放大倍数、灰度图转化为二值图时阈值的大小等因素对孔结构分形分析结果的影响,并研究它们与分形维数的定性关系.结果表明,采用的烧结纤维多孔材料具有明显的分形特征,图像分辨率、放大倍数、阈值等因素对分形维数计算结果影响显著:与SEM图像的原始分辨率相比,分辨率变化越大则分形维数越大;分形维数随着放大倍数的增大而减小;灰度图转化为二值图时的阈值存在最佳值,且随着阈值的增大,分形维数先增大后减小.通过理论推导,建立了多孔材料孔隙度和渗透性能与孔结构分形维数之间的数学关系.可通过孔结构分形维数、面孔隙度、孔径等参数合理预测多孔材料的体孔隙度、渗透性能,预测结果与实测结果吻合良好.     

高温合金定向凝固行为的分形分析

采用分形理论定量地描述了定向凝固过程中固-液界面的形态,给出了固-液界面的分形维数与凝固速度、枝晶间距和试验合金中磷含量之间的关系发现随着凝固速率和合金中磷含量增大,固-液界面的分形线数呈指数规律增加。而且,结合分形理论和热力学理论论证了分形维数不仅仅是单纯描述不规则图形的几何参量,而且是一个依赖于凝固参数、化学成分变化的态函数     

基于分形理论研究钢包底吹过程夹杂物的分形维数

依据相似理论,以LF精炼炉为研究对象,在不同时间节点拍照,采用图像分析软件(Iamge Pro-Plus)、Matlab软件和分形理论中计盒维数法,对液相中的不规则单颗粒及团聚体的分形维数进行计算,研究了不同流量下夹杂物粒子实际上浮速度与粒子边缘分形维数的关系。结果表明,盒维数求斜率法均可精确地求出夹杂物的分形维数,夹杂物的形貌越复杂,分形维数越大;增加吹气量,有利于夹杂物的碰撞团聚,使团聚体的分形维数变大;夹杂物的分形维数与实际上浮速度呈正相关,这与采用分形维数和动力直径计算的理论值基本一致,说明该方法是准确可行的。     

Al2O3和Sialon陶瓷中LiTaO3第二相的断裂行为

将LiTaO3压电陶瓷颗粒分别添加到Al2O3和Sialon结构陶瓷基体中,通过对复相陶瓷试样断口形貌和裂纹扩展路径的观察,研究了Al2O3和Sialon结构陶瓷基体中LiTaO3第二相的断裂行为.研究结果表明:Al2O3和Sialon陶瓷基体的断裂均为沿晶断裂,LiTaO3压电陶瓷颗粒的断裂为穿晶断裂,在LiTaO3第二相的断口上,观察到了许多断裂台阶,这些断裂台阶是由于试样断裂时,裂纹扩展过程中遇到LiTaO3晶粒内的90°电畴发生裂纹偏转和分支引起的.     

Al2O3-TiC/1Cr18Ni9Ti扩散焊接头应力分布

用有限元方法计算了Al2O3-TiC/1Cr18Ni9Ti扩散焊接头的应力分布,研究了加热温度、压力和中间层对应力分布的影响.结果表明,残余轴向应力和剪切应力在试样边缘处梯度都较大,靠近中心轴,应力分布比较均匀,最大剪切应力出现在A12O3-TiC/中间层界面处.在扩散焊冷却过程中,Al2O3-TiC/1Cr18Ni9Ti扩散焊接头最大轴向拉应力先是出现在边缘陶瓷侧,随着温度的降低,逐渐向试样中心靠近,应力值也逐渐增大.加热温度越低,轴向压应力越大.压力越大,最大轴向拉应力越小,压应力越大,但压力对剪切应力的影响较小.使用Ti-Cu-Ti复合中间层比使用Ti中间层可降低最大轴向压应力和最大剪切应力.     

Al2O3-TiC/Q235真空扩散钎焊界面组织及抗剪强度

为了获得Al2O3-TiC陶瓷基复合材料与Q235钢的接头,采用Ti/Cu/Ti复合中间层对Al2O3-TiC复合材料与Q235低碳钢进行了真空扩散钎焊。通过扫描电镜、能谱分析和电子探针、抗剪试验等测试方法对Al2O3-TiC/Q235扩散钎焊界面的组织、成分及结合强度进行分析。结果表明,控制加热温度为1110℃,可获得界面抗剪强度122MPa的Al2O3-TiC/Q235扩散钎焊接头,Ti/Cu/Ti复合中间层与Al2O3-TiC和Q235润湿性较好,并发生一定程度的扩散反应,在Al2O3-TiC与Q235之间形成厚度约80μm的界面过渡区,过渡区内形成的组织结构主要是Ti3AlC2,Fe2Ti,Cu和TiC。     

Al2O3和Sialon陶瓷中LiTaO3第二相的断裂行为

将LiTaO3压电陶瓷颗粒分别添加到Al2O3和Sialon结构陶瓷基体中，通过对复相陶瓷试样断口形貌和裂纹扩展路径的观察，研究了Al2O3和Sialon结构陶瓷基体中LiTaO3第二相的断裂行为。研究结果表明：Al2O3和Sialon陶瓷基体的断裂均为沿晶断裂，LiTaO3压电陶瓷颗粒的断裂为穿晶断裂，在LiTaO3第二相的断口上，观察到了许多断裂台阶，这些断裂台阶是由于试样断裂时，裂纹扩展过程中遇到LiTaO3晶粒内的90°电畴发生裂纹偏转和分支引起的。     

锆-4合金疲劳断口的分形维数分析

采用基于有限元反射模型的SFS（shape from shading）算法对锆-4合金低周疲劳断口进行三维重建，定量描述了断口表面的三维形貌。然后，根据小岛法的基本理论，研究了断口三维形貌的分维计算方法，计算了一系列平行于断口表面的分维值。结果表明：在40％～60％高度范围内，根据小岛法作出周长L（η）-面积A（η）在双对数图上呈近似直线关系，表明Zr-4合金断口具有良好的分形特征；分形维数D变化范围为1．5809～1．6450，平均值1．603l，标准差0．0237。表明在此切割高度范围内，高度对分维值影响较小。     

Al2O3纤维对Al2O3基陶瓷型芯材料性能的影响

采用常压烧结制备Al2O3基陶瓷型芯材料，通过XRD，SEM分析表征了材料的成分和内部结构。测量了Al2O3基陶瓷型芯气孔率、抗蠕变性能、80℃饱和NaOH溶液中侵蚀性能，并讨论了材料性能随Al2O3纤维含量变化的原因。     

氮化硅陶瓷中的分形生长

利用透射电子显微镜(TEM)在纳米尺度上直接观察由氮化硅分解出的硅蒸气在蒸发-凝聚过程中产生的分形生长这一实验现象,结合相对应的有限扩散凝聚(DLA)模型以及核晶凝聚(NA)模型,对所获得的分形结构进行了描述和讨论,并探讨了分形生长的发生机理.同时,由实验中所拍摄的一组照片计算其分形维数,分别为Dm1≈1.09,Dm2≈1.52,Dm3≈1.78,其中Dm3≈1.78与DLA模型的理论预测值以及数值模拟结果较一致.     

温度和氧含量对Ti-2Al合金拉伸力学行为和断裂方式的耦合影响

研究高氧含量(0.30%,质量分数,下同)、工业水平氧含量(0.16%)和极低氧含量(0.06%) 3种Ti-2Al合金在低温(77 K)、室温和高温(673 K)下的拉伸力学行为。结果表明：低温和室温下,随着氧含量的升高,材料强度提高,塑性降低。然而,高温673 K下,不同氧含量Ti-2Al合金强度和塑性基本相同,材料强度和塑性对氧含量的依赖性显著降低。氧含量较低时,温度对Ti-2Al合金塑性影响很小。微观组织观察表明,随着温度的升高,工业水平及高氧含量Ti-2Al合金拉伸断口由脆性解理转变为延性韧窝。高温环境下,固溶氧原子扩散速率提高使Cottrel气团对位错滑移的阻碍减弱,均匀变形的结果导致高氧含量Ti-2Al合金延性改善。