高应变率下红砂岩"冻伤效应"

对低温冻结红砂岩进行动态冲击实验,研究高应变率下红砂岩动态力学特性的温度效应,运用损伤理论和能量理论,分析不同负温对红砂岩强度、损伤变量及能量耗散的影响,结合断口形貌分析,探究红砂岩在较低负温下动态力学强度出现劣化的原因.研究表明:较低的负温(-30℃后)会使红砂岩出现"冻伤",导致高应变率下岩石动态力学强度的急剧降低,宏观上则容易出现动力扰动下的瞬时工程灾变.根据断口形貌分析,较低的负温会导致红砂岩内部组成物质间界面处生成大量裂纹,这些裂纹尖端塑性变形能力差,在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏,而胶结物由于组成矿物成分复杂更易受负温影响,因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏,进而引起红砂岩整体的破裂.      

基于裂纹扩展模型的脆性岩石破裂特征及力学性能研究

为了探究初始微裂纹参数分布对岩石破裂特征及力学性能的影响,进一步系统地了解脆性岩石破裂演化过程,依据线弹性断裂力学理论,建立了非均质性二维细观弹性损伤模型,并运用FLAC^2D数值分析软件,数值模拟研究了单轴压缩条件下不同形态岩石试样的破裂过程。研究结果表明,当初始微裂纹长度和角度服从不同的随机分布时,岩石材料表现出不同的破裂特征,其中初始微裂纹长度和角度均服从正态分布时,岩石破裂区域较完整;初始微裂纹长度或角度服从均匀分布和指数分布时,岩石破裂区域较分散;初始微裂纹角度对于解释脆性岩石单轴抗压试验时岩石试样出现剪切破坏和劈裂破坏的原因具有一定的指导意义,且当初始微裂纹角度均值ɑ=45°时,模型具有最小的峰值强度和轴向最大应变。模型还模拟了脆性岩石单轴抗压试验、巴西劈裂试验和断裂韧度试验的演化过程,模拟结果与试验结果具有较高的一致性。     

含水率对砂岩动态拉伸强度的影响

工程中的岩石具有不同的含水性,研究不同含水率岩石动态力学性质的变化规律,对岩石工程的设计和建设具有很强的指导意义。为研究不同含水率对砂岩动态拉伸强度的影响,利用霍普金森压杆（SHPB）试验装置对不同含水率试样进行了一系列动态巴西劈裂试验,研究了不同含水率砂岩在不同加载率条件下的动态拉伸强度变化规律。试验结果表明：岩石的动态拉伸强度随着加载率的增加而增加,其率相关性与含水率有关,饱和试样的率相关性较强,而干燥岩石的动态强度对加载率的变化不敏感。当加载率较低时,岩石的拉伸强度随着含水率的增加而降低;当加载率较高时,由于水的Stefan效应,水对岩石裂纹产生抗力,阻碍其扩展,导致岩石强度增加,饱和试样的动态拉伸强度出现高于非饱和试样强度的现象。     

微扰动作用下预静载硬岩的断裂特性研究

为了研究预静载条件下硬岩在微扰动作用下的断裂特性变化规律,采用花岗岩制作中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)试样,在MTS Landmark电液伺服试验机上,利用圆弧形加载方式,进行硬岩在平行于预制裂纹方向的预静载荷和微扰动载荷的组合作用下的断裂特性研究。设定预静载荷水平为常规准静态断裂载荷的90%,设定微扰动载荷幅值为常规断裂载荷值的10%,下限为常规断裂载荷的80%,上限为常规断裂载荷值。扰动频率分别为1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz、50 Hz和70 Hz。研究结果表明:在预静载加载段,岩石试样内部沿预制裂纹方向新的裂纹已经产生发展,并且裂纹扩展的速度随着载荷的增大而增大;在扰动载荷加载段,随着扰动次数的增加,裂纹扩展的速度越来越慢,岩石损伤程度逐渐积累;在断裂破坏段,岩石损伤程度超过了承受极限,裂纹贯穿沿预制裂纹方向贯穿试样,岩石断裂破坏;在预静载作用下,试样已经处于临界失稳状态,扰动作用会诱发试样的断裂失稳破坏,扰动频率超过10 Hz后,减韧效应随着扰动频率的提高并不明显,扰动使得试样的总体变形量有减小的趋势。     

热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究

为了研究热冲击对加热花岗岩的影响，使用3种冷却方法来提供不同的冷却速率，对花岗岩试样施加不同程度的热冲击作用。通过分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对热冲击处理后的花岗岩半圆盘中心直裂纹三点弯曲(NSCB)试样进行冲击断裂试验，并利用高速摄像机记录了试样的断裂模式。试验结果表明：随着试样温度和冷却速率的提升，试样的干密度和纵波波速显著下降，试样的孔隙率加大。试样的断裂韧度变化及破坏模式表明热冲击作用使花岗岩试样受到冲击力时抗裂纹扩展的能力下降，尤其在冲击载荷的加载率高于130 GPa·m^0.5/s时下降尤为明显。     

不同热冲击过程花岗岩I型和Ⅱ型断裂特性研究

在岩石工程中发生的与高温相关的灾害中,快速降温的影响（热冲击）不可忽视,因此,研究在不同程度的热冲击作用下花岗岩的断裂特性可以对遭受高温灾害后岩石工程的稳定性分析提供理论依据和技术支撑。在本研究中,花岗岩被加热至目标温度（200 ℃、400 ℃、600 ℃）,利用制冷剂的不同温度（-20 ℃、20 ℃、60 ℃） 为高温试样提供不同速率的降温处理。热处理前后对试样干密度、孔隙率和纵波波速进行测定,并通过巴西劈裂试验测试试样Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度。试验结果表明：干密度、纵波波速以及Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度均随降温速率的增大而减小,孔隙率则随降温速率的增大而增大;快速冷却引发的拉应力是造成花岗岩损伤的主要原因,且与岩石试样和制冷剂之间的温差呈正相关。     

淬火温度对高碳钢组织和断裂韧度的影响

研究了不同淬火温度对高碳钢组织及断裂韧度的影响。利用紧凑拉伸试样测量其平面应变断裂韧度,扫描电镜(SEM)观察淬回火后的组织演变规律及断裂韧度试样断口形貌。结果表明:随着淬火温度的升高,淬火态组织中残余碳化物数量逐渐减少至920℃时全部消失;晶粒尺寸在淬火温度大于960℃时明显长大。600℃高温回火后,组织由残留大碳化物颗粒、回火析出碳化物及铁素体基体组成;塑性单调下降;断裂韧度在小于960℃时单调下降,大于960℃后基本不变;KIC试验断口逐渐由准解理型断裂转变为沿晶断裂。塑性变化是试验钢韧性降低的主要原因。     

309S奥氏体耐热钢的高温性能研究

研究了309 S奥氏体耐热钢的高温瞬时强度、高温持久强度和高温疲劳性能.结果表明:随着变形温度从室温到1000℃,瞬时的屈服强度和抗拉强度显著降低,只有室温的14％和7％;根据应力与持久强度的关系,外推出持久时间1000 h时,800、900和1000℃的持久强度分别为37.98、12.63和7.27 MPa,高温变形断裂以沿晶方式进行;试验条件下900℃的疲劳极限为25 MPa,疲劳循环次数和裂纹扩展时间随着应力水平的增加而减少;疲劳裂纹萌生于试样表面,并以穿晶方式扩展.     

砂岩Ⅰ型断裂的尺寸效应试验研究

通过对尺寸成等比例的砂岩试样进行三点弯曲试验,研究了I型断裂问题中试样尺寸对砂岩断裂参数的影响.结果表明:随着试样尺寸的增大,名义张拉强度减小,名义断裂韧度和破裂过程区长度增大,三者均为试样尺寸的函数.基于试验结果,引入有效破裂过程区长度cf,建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型,通过理论分析,发现其尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料之间,体现出准脆性材料的尺寸效应特点,并计算得到了不同尺寸试样的破裂过程区长度等断裂参数.为验证该尺寸效应模型在砂岩中的正确性,采用数字图像匹配技术(DIC)测定相应尺寸砂岩试样的破裂过程区长度,测定结果和理论模型计算值相符.      

SHPB压缩试验中红砂岩的力学与能量耗散特性研究

为了定量描述岩石在动态压缩过程中的耗能能力,采用SHPB装置对圆柱形红砂岩试样进行了单轴动态压缩试验,并采用高速摄像仪记录了试样的破坏过程。试验结果表明:随着入射能的增加,承受冲击加载后的试样呈现出完整、破裂和破碎3种不同状态,试样峰值应力呈现明显的应变率效应。在能耗特性方面,以临界入射能为间隔点,试样耗散能呈现出2个阶段的线性增长规律。当施加的入射能小于临界入射能时,试样在冲击后保持完整状态;当施加的入射能大于临界入射能时,试样在冲击后发生破碎,试样碎片飞出。基于线性耗能规律,分别定义了2个阶段的动态压缩耗能系数。当试样呈现完整阶段时,理想的动态压缩耗能系数为定值。在试样承受冲击后发生破碎阶段,动态压缩耗能系数随着入射能的增加而增加。     

三点弯曲裂纹张开柔度的实验研究

运用裂纹张开柔度法对ASTM E399-1990和GB/T 4161-1984中三点弯曲试样测试断裂韧度KIC中的线弹性加载特性进行实验研究,结合疲劳裂纹扩展过程,得出GB/T 4161对试样加载平行度要求过严的结论,提出平行度放宽到0.05W的范围.     

千枚岩岩石微观破裂机理与断裂特征研究

岩石的宏观断裂与其内部微结构和微缺陷紧密相关,建立岩石微观破裂机理和宏观断裂之间更直观的联系是当今断裂力学的难题之一.本文以金沙江上游泥盆系中统中段的绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象,利用扫描电镜与力学试验等多种测试手段,通过对2种千枚岩岩石断口的微观形貌特征的研究,揭示了千枚岩岩石微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系.指出绢云母千枚岩岩石以沿晶面擦花的微观破裂形式为主,是典型的微观脆性剪断,而硅质板状千枚岩岩石既有沿晶断裂的拉断破裂,又存在切晶擦花的剪切微破裂形式,是属于拉、剪破裂并存的微观破裂机制.进一步结合岩石断裂的力学特征,分析千枚岩微观破裂与宏观断裂之间的联系.结果显示:千枚岩岩石在外力作用下的断裂形式与其微观破裂形式是可对应的.这一结论为建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂特征的桥梁提供了依据,具有一定的理论意义.     

红砂岩单轴压缩试验的率效应研究

利用MTS 322试验机对均质红砂岩进行了低加载（应变）率范围内不同量级的单轴压缩试验，考察了加载率对压缩强度、切线弹模和破坏应变的率效应影响规律。试验过程中采用位移控制加载，对应的加载量级分别为0.12，1.2，12，120 mm/min。研究结果表明：位移控制加载率与试样实际加载率、应变率之间均存在良好的线性关系。不同加载速率下岩石材料的单轴压缩强度、切线弹模随着加载率的增加呈现增加趋势，单轴压缩强度增加了11%，切线弹模增加了13%，率效应显著。通过试验数据发现，破坏应变与应变率（加载率）之间无相关性，不具有率效应规律，故强度准则应该是应力准则而不是应变准则。     

时效温度对贝氏体型冷作强化非调质钢力学性能的影响

 研究了时效温度对一种低碳Mn-B-Ti系贝氏体型冷作强化非调质钢力学性能的影响。结果表明：试验料的强度随时效温度的升高先是增加,并在250℃时存在一个峰值,随后强度又随时效温度的升高而降低,当温度升高到400℃以上时强度明显降低;试验料的塑性和屈强比则随时效温度的升高逐渐增加,其中后者增加的幅度更显著。与未充氢试样相比,试验料拉拔并充氢后的延迟断裂性能显著降低。随着时效温度的升高,充氢试样中的氢含量降低,缺口抗拉强度RBN和延迟断裂强度比R缓慢增加,当时效温度大于200℃时,RBN和R则明显增加。因此,在满足保载永久伸长变形量及强度和塑性要求的前提下,应选择合适的时效温度,以保证材料的延迟断裂性能。     

高温后红砂岩压剪下声发射及其微观特性研究

为了评估岩体在高温和压剪工况下的稳定性,利用声发射技术对25～800℃处理后的红砂岩进行了变角剪切下声发射特性研究,分析了高温对红砂岩剪切断口微观特性的影响机理。结果表明：（1）高温作用使得红砂岩的声发射事件由常温下低活跃度的间接性活动向高活跃度的连续性活动转化;（2）随着热处理温度的升高,砂岩在压剪状态下的剪切裂纹所占比例逐渐增大,损伤剪切应力阈值减小,裂纹非稳定扩展阶段延长;（3）当剪切角度为55°时,高温对红砂岩的剪切损伤发展具有抑制作用,而当剪切角度为65°时具有促进作用;（4）红砂岩压剪断口形貌主要以沿晶体解理切断（穿晶断裂）形成,但当热处理温度为800℃时,更易于沿晶界形成。研究成果可为解决高温岩土工程问题提供参考。     

7050高强铝合金断裂韧度KIC值试验结果有效性影响因素分析

平面应变断裂韧度KIC是表征材料抵抗裂纹扩展的能力,是度量材料韧性好坏的一个定量指标,因此断裂韧度KIC值测试数据的有效性和可靠性在实际生产检测中就显得尤其重要.针对日常检测工作中对KIC值有效性影响较大的几个主要因素,对7050厚板、锻件CT试样进行断裂韧度KIC测试,分析了不同试样厚度、试样方向及残余应力对断裂韧度...     

SPS制备碳化硅陶瓷的研究

本文用放电等离子烧结(SPS)的方法制备了SiC陶瓷,研究了SPS烧结温度、压力和保温时间对烧结试样力学性能的影响.结果表明,随着烧结温度的升高,烧结试样的密度和硬度增加,当温度超过1600℃后,密度和硬度不再增加,反而有稍微的下降,而断裂韧度和弯曲强度则随温度的升高而提高;随着压力的增大和保温时间的延长,样品的致密度和力学性能均提高.当温度为1700℃、压力为50MPa、保温时间为5min时,烧结样品的密度达3.280g/cm3,维氏硬度达25.0GPa,断裂韧度达8.34MPa·m1/2、弯曲强度达684MPa.     

巴西圆盘劈裂二维及三维数值模拟研究

为揭示巴西圆盘起裂模式的变化规律及其破裂演化过程,运用连续介质弹塑性分析开展巴西圆盘劈裂二维及三维数值模拟研究。通过开展二维模拟研究,探究压拉比及加载角对试样起裂破坏模式的影响;通过三维模拟研究,探究圆盘试样三维破裂面的形成及扩展过程。二维数值模拟结果表明,接触加载角及压拉比越大,巴西圆盘试样越容易发生中心起裂;端部起裂由剪切破坏引起,而劈裂裂纹进一步扩展则由张拉破坏驱动。三维数值模拟结果表明,初始起裂点位于三维圆盘端面,随加载角增大其逐渐向端面圆心移动;当圆盘发生端面中心起裂时,三维破裂面以弧形边界向试样内部发散扩展。无论圆盘试样发生中心起裂还是端部起裂,由于三维效应巴西劈裂试验可能都会低估岩石的抗拉强度。      

全层TiAl基合金缺口试样原位拉伸卸载试验的研究

通过对TiAl基合金不同类型的缺口试样进行原位拉伸卸载实验和相应的断裂表面观察,研究了TiAl基合金全层组织的断裂机理。研究发现:对于缺口试样,裂纹起裂于缺口根部,其断裂过程主要是主裂纹首先起裂、扩展并最后断裂。在整个断裂过程中断裂是穿层断裂和沿层断裂的混合体,裂纹路径较曲折。在拉伸过程中,试样产生微裂纹导致材料发生损伤,随后卸载再加载时,与先前相比,裂纹更易扩展。预损伤加快了裂纹的产生和扩展,使损伤进一步加重,促使材料抵抗裂纹产生、扩展的能力下降。     

巴西圆盘实验测定金属粉末压坯断裂性能参数

压坯断裂性能参数的准确测定对压坯裂纹损伤预测分析至关重要.本文采用圆弧型加载方式的巴西圆盘实验对两种金属粉末(H(o)gan(a)s ASC 100.29和H(o)gan(a)s Distaloy AE)压坯的断裂性能参数进行研究.利用高清摄像机对实验过程进行拍摄,将金属粉末压坯从变形到完全断裂破坏的全过程进行详细地分析描述.结合相关理论研究及数值分析计算,提出压坯断裂性能参数包括断裂韧度Kk和断裂能量Gc的确定方法.将不同相对密度的压坯试样用于试验分析计算,得出金属粉末压坯断裂性能参数Kk和Gc与相对密度的函数方程.