孔隙性缺陷拟生自修复机制研究

为掌握高温塑性变形过程中材料内部缺陷的修复机制, 采用物理模拟方法研究了孔隙性缺陷自修复规律. 实验发现孔隙性缺陷自修复过程类似人体皮肤和骨折的愈合过程. 借鉴人体组织损伤愈合规律, 采用拟生方法研究了孔隙性缺陷自修复过程, 提出了孔隙性缺陷自修复再结晶机理. 拟生方法研究裂纹修复现象及规律, 为揭示裂纹自修复机理提供了崭新的途径.     

船用柴油机第一道活塞环岸积碳的微观形貌和孔隙特性的相衬显微CT研究

大型二冲程船用柴油机具有热负荷高、燃用重油、润滑油参与燃烧及其变质、颗粒物排放高等特点，直接或间接地导致其燃烧室内更为明显的积碳现象，同时积碳层的构成和特性会显著影响柴油机的输出动力性能和排放特性．采用我国第三代同步辐射装置一上海光源的x射线相衬显微CT技术，对第一道活塞环岸积碳样品进行了三维无损显微成像．通过定量数字图像处理，对积碳层的微观特性和孔隙分布特性进行了分析研究．结果表明，活塞环上部积碳厚度基本在1．0mm左右，仅为缸套和活塞间距的一半，但是其表面形态显示出与缸套强烈的摩擦磨损痕迹，这说明该部位的积碳会明显破坏缸套的滑油分布．同时积碳内外表面裂纹密集，而中部裂纹较疏松，积碳内外表面的裂纹形成机理存在显著差异．从孔隙连通性来看，几乎所有的裂缝都是相通的，计算得到的总的孔隙率在10．9％～12．8％之间．并且连通的裂纹中存在交汇的孔洞结构，这些孔隙结构可能对燃气产生吸附和解吸的作用．     

纤维束诱导基体裂纹变形场DGS实验研究

本文主要利用数字梯度敏感方法(DGS)和Eshelby等效夹杂理论研究纤维束与基体裂纹的相互作用机制.首先,利用DGS方法得到了碳纳米管改性纤维束模型、未改性纤维束模型基体裂纹尖端的位移场分布及演化规律,并提取了相应的基体裂纹尖端应力强度因子.其次,利用Eshelby等效夹杂理论分析了碳纳米管改性纤维束模型、未改性纤维束模型的基体裂纹尖端应力强度因子的影响机制.最后,比较了碳纳米管改性纤维束夹杂和未改性纤维束夹杂两种模型中基体裂纹尖端应力强度因子的理论预测结果与DGS实验结果,吻合较好.研究成果为纤维束与基体相互作用机制提供了可靠的实验依据及理论参考.     

吸附促进位错发射,运动导致脆性裂纹形核

在透射电子显微镜中原位观察了Ａｌ单晶吸附Ｈｇ原子后加载方前方位错组态的变化以及微裂纹的形核过程。结果表明：液体金属吸附后能促进位错的发射，增殖和运动；     

多维虚内键模型(VMIB)及其在岩体数值模拟中的应用

多维虚内键模型(VMIB, virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB, virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型. VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成, 微粒之间由单一法向键连结; 而VMIB模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度. 材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出, 并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系, 表明了在VMIB模型中增加切向键的充分性和必要性. 由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中, 这使得VIB和VMIB模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性. 岩体由于受到分布裂纹的切割作用, 宏观上表现为各向异性力学特征. 在岩体损伤模型中, 岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述. 岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小. 在VMIB模型中, 微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小, 这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的. 文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系, 将岩体等效为VMIB固体. 理论与试验结果表明, 这种等效的VMIB固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响, 这为进一步应用VMIB模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础, 同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.     

唐代彩绘陶质文物的酥粉研究

陕西陇县神泉村唐墓最早发掘于1955年,其中承载着重要历史文化信息、对于研究中西部文化交流和民族交往、融合等具有重要意义的彩绘文物正在面临严重酥粉而逐渐消失在历史舞台.利用超景深显微系统、扫描电子显微镜、离子色谱和X射线衍射等方法,分析探讨典型酥粉彩绘陶质文物样品的化学成分、微观形貌以及含有的可溶盐离子成分、浓度等,提出含量占样品总质量3.70%~10.74%的可溶盐NaCl和NaNO3是导致文物酥粉的主要原因,证明了陶质裂纹的起裂并不意味着样品的破坏,破坏的本质在于可溶盐结晶受力过程中微裂纹的扩展和贯通,在环境相对湿度变化引起裂纹的扩展贯通过程中,样品质量、形貌、孔径和强度都发生着一定程度的变化,其中NaCl结晶体对陶质样品产生的负压压力较大,破坏性最强.本研究揭示了承载着重要历史文化信息彩绘陶质文物酥粉的重要原因,为进一步酥粉陶质文物的保护研究提供科学依据.     

Sn及Sn合金的微观断裂行为

微电子系统中互连尺寸的微细化使构成焊点的钎料合金的力学性能成为影响电子封装与组装产品可靠性的关键因素。因此,在微米及纳米尺度深刻掌握Sn基钎料合金的断裂行为对于更好地预测焊点可靠性具有重要意义。本文针对100Sn、63Sn37Pb、96.5Sn3.5Ag三种Sn及Sn合金,在进行力学性能测试和显微组织分析的基础上,考察了Sn及Sn合金在微米尺度上的动态断裂机制,以及纳米尺度上裂纹尖端的真实物理过程,阐述了Sn基体、含铅Sn合金和无铅Sn合金三者互有关联又各有不同的微观断裂行为特征。     

考虑裂尖点的三角单元劈裂法

在模拟固体断裂，尤其是固体中含有较多初始裂纹时，如何有效地处理裂纹和网格划分是一个关键问题．三角单元劈裂法（TEPM）是处理该问题的一种有效方法．在网格划分时，它可以不用考虑裂纹体的几何完整性而直接对裂纹体进行网格划分，然后通过三角单元劈裂技术直接将裂纹的力学性质反映到数值模型中，为裂纹的数值模拟带来了极大的方便．目前，已有的TEPM虽然已经考虑了劈裂单元的块体变形问题，但还没有考虑裂纹尖点问题，由此所产生的误差将随着单元尺寸的增大而显著增大．为了解决这一问题，通过移动最小二乘法将裂纹尖点的位移与其邻域内实结点位移建立了联系，从而能更精确地再现裂纹周边的位移场．数值分析表明，这种考虑裂尖点的TEPM在不用重新划分网格的基础上与传统有限单元法计算精度基本一致，使TEPM摆脱了单元尺寸的限制．TEPM与扩展有限单元法（XFEM）的主要区别在于，TEPM不用处理位移的非连续性问题，也不用结点富集插值技术（Node enrichment），同时也没有引入额外的自由度，实现过程更为简单．     

物理短裂纹Manson-Coffin公式的理论研究及寿命

国际上广泛使用Manson．Coffin公式来预测疲劳寿命，但该公式不能确定疲劳寿命同裂纹尺寸之间的关系．本文提出采用与疲劳极限有关的最大非损伤裂纹尺寸代替晶粒尺寸，当裂纹达到最大非损伤裂纹尺寸时，减速扩展速率降低到零．在此基础上结合短疲劳裂纹扩展速率的变化规律，导出了物理短裂纹的萌生和扩展速率同应力、应变、裂纹尺寸以及常规力学性能之间的定量关系．从而做到直接用材料常规力学性能预测短裂纹的疲劳寿命．本文证明了短裂纹的寿命预测公式同Manson—Coffin公式有相同的形式，从理论上揭示了Manson．Coffin公式的本质是短裂纹的萌生和扩展规律．用本文公式预测的疲劳寿命与著名学者相关的试验结果进行了比较，两者完全吻合．并且本文公式中的系数和指数同试验数据的拟合公式也完全一致．特别是对接近10ILtm物理短裂纹疲劳寿命的预测同实验结果惊人的吻合．用本文的公式对15种材料的短裂纹扩展速率进行了预测，其结果和实验值的吻合程度也令人十分满意，显示了本理论的广泛适用性．     

基于裂纹扩展的涡轮叶片热障涂层寿命预测模型

热障涂层在高温热循环的服役环境中会出现性能退化,最终剥离失效.本文以等离子喷涂的YSZ涂层为研究对象,基于亚临界裂纹扩展模型,引入临界能量释放率指数模型,结合改进的热生长氧化层增厚模型,推导了涂层循环失效预测模型.通过和公开的实验数据对比,验证了本文方法的准确性.之后将该模型应用于国内某型燃气轮机涡轮导叶热障涂层的寿命预测.结果表明,随着热生长氧化层的增厚,当达到临界厚度时在陶瓷层和黏结层界面会出现应力反转.陶瓷层和黏结层界面出现的拉伸应力会诱导附近微小裂纹扩展.此时热生长氧化层进一步增厚,将会加速裂纹的扩展速度,直至裂纹贯通,界面出现剥离失效.涂层寿命与服役温度呈指数递减规律,在一定范围内提高陶瓷层和黏结层界面粗糙度可以延长涂层服役寿命.本文模型对预测等离子喷涂的YSZ涂层寿命具有很好的应用价值.     

薄膜裂尖区域的减薄过程和薄区内的应变

在透射电子显微镜下,首先观察了３１０不锈钢和纯铝的减薄方式：一是Ⅲ型裂纹的剪切方式,二是Ⅰ型裂纹的撕开方式。利用微衍射技术分别测量了韧性材料纯铝和脆性材料ＴｉＡｌ合金中裂尖区的平均应变。测量结果表明,裂尖前方的应变可高达０．０５以上。     

泡沫铝／环氧树脂复合材料压缩力学行为的仿真分析

根据所制备的开孔泡沫铝／环氧树脂复舍材料的结构特点，对其材料结构进行了合理的简化。在此基础上采用ANSYS／KS—DYNA软件对该材料的压缩力学行为进行有限元仿真分析；得出了该材料在压缩过程中的变形和失效过程以及应力-应变关系随其结构参数（泡沫铝孔径、泡沫铝相等密度）及应变率的变化规律。如上规律与已有文献的物理实验研究结果相一致，从而证明了该仿真方法的合理可行性，为泡沫铝孔洞填充复合材料的性能研究提供了一种新方法。     

海藻酸-纳米羟基磷灰石构建可降解原位成型水凝胶

可注射原位成型水凝胶支架材料能填充任意形状的缺损, 并在很大程度上降低植入对机体组织的侵入性, 且方便与药物和活性物质复合. 采用原位释放法将海藻酸钠与纳米羟基磷灰石复合构建了可降解的原位成型水凝胶, 体系的凝胶化时间10~15 min, 材料具有多孔结构, 孔径20~300 µm, 孔内及孔壁上有大量羟基磷灰石晶体连续均匀分布. 体内植入试验证明该水凝胶材料可实现原位成型且具有良好的细胞相容性和组织相容性.     

基于单元劈裂法的全耦合水力压裂数值模拟

单元劈裂法(element partition method, EPM)是一种裂纹模拟方法,它利用三角单元的几何性质推导了劈裂单元的刚度矩阵.当有裂纹穿过时,三角单元转化为劈裂单元,可自动地将裂纹面之间的相互作用反映到计算模型中.通过这种方式,可以在背景网格中嵌入任意条裂纹而不需要引入额外自由度,避免了节理单元的设置及网格重构.这使得EPM在大规模节理计算方面具有较强的优势.为了更有效地模拟水力压裂,建立了劈裂单元的全耦合水-力方程,可同时考虑劈裂单元内水压对结点力的作用以及结点速度场对渗流场的作用. KGD模型验证结果表明该方法是有效的.该方法可以有效地模拟多裂纹水力扩展及汇合过程,为复杂地层压裂模拟提供了一套简单、有效的计算方法.     

室温下金属铝的组合成形轧制

轧辊的弹性变形导致金属极薄带难以通过常规方法制备,人们想尽各种办法来获得更薄的轧件,如减小轧辊直径、增加支撑轧数量、增加轧辊和机架刚度等,这些方法使极薄带的制备变得复杂.本文采用组合成形轧制(combination forming rolling, CFR)新方法,将常规轧制的压缩作用、异步轧制的搓轧剪切作用和施加大张力的拉伸作用等三种工艺措施共同作用于轧制变形区,构造出易于满足屈服条件的应力状态,保持压下变形的可持续性.为了验证这种方法的可行性,在室温下对退火态工业纯铝板进行了组合成形轧制.实验结果表明,在没有中间退火的情况下,初始厚度为6.5 mm的1100铝板轧制成厚度为17μm极薄带,产品表面光滑、板形良好、无边缘裂纹,组合成形轧制的延展率达到38235%,真应变为5.95,充分体现出组合成形超强的变形能力.在剧烈塑性变形发生的同时,金属Al内部的显微组织也随之发生演变,由原始粗大的等轴晶演变为扁平的板条晶、亚微晶,直至出现纳米晶.以大应变、超延展、纳米化为特征的组合成形轧制将成为剧烈塑性变形中一个重要的新方法.     

近场动力学与有限元方法耦合求解复合材料损伤问题

本文提出了一种求解纤维增强复合材料破坏问题的近场动力学方法(peridynamics, PD)/有限单元法(finite element method, FEM)耦合方法.根据PD方法求解含裂纹等不连续问题以及FEM高效求解的优势,将模型划分为PD区域、FEM区域和耦合区域.其中包含裂纹的区域采用PD建模,其他区域采用FEM建模,两区域的结合部分为耦合区域.该耦合方法操作简单, PD粒子与FEM节点之间没有重叠区域. PD粒子与其域内所有粒子(包括PD粒子和FEM节点)以非局部方式连接, FEM节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用.该耦合方案模拟的复合材料损伤状态与纯PD方法模拟结果相符,但该耦合方案可有效地提高计算效率.     

Q-P-T制备高强钢的马氏体形成激光共聚焦观察和力学性能测定

作为第三代汽车钢的一种,淬火-碳配分-回火(Q-P-T)工艺制备的高强度钢显微组织由先形成马氏体、新鲜马氏体和残余奥氏体构成.本文利用激光共聚焦显微镜,观察了一次淬火时马氏体和未转变奥氏体分布的不均匀形成过程.在此基础上,进一步表征了在不均匀的基体中,Q-P-T工艺获得的马氏体具有多尺度的分布特征;同时,二次淬火获得的新鲜马氏体具有:1)更细的板条尺寸;2)在一个块状区域内具有相同的取向,可视为一个"packet";3)更高的力学性能.研究结果客观地展示了Q-P-T制备高强度钢的微观组织演化本质,为进一步改进Q-P-T工艺、提高性能提供了准确的理论依据.     

乙醇热解制备C/C复合材料工艺及组织结构研究

以整体碳毡为预制体,无水乙醇为前躯体,N2做为载气和稀释气,在负压条件下,沉积温度为1050~1200°C,采用压力梯度ICVI工艺制备出C/C复合材料制品,采用偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜分析材料的组织结构和断口形貌,利用三点弯曲测定了材料的弯曲强度.结果表明：制备的C/C复合材料基体组织结构在1050°C条件下为中织构与高织构并存的组织,当沉积温度上升为1100~1200°C时,热解碳为均一的高织构组织.制备试样的弯曲破坏应力应变曲线及断口形貌分析表明：断裂特征受热解碳与基体界面结合强弱的影响,弯曲断口以纤维断裂、纤维拔出为主,材料具有假塑性断裂特征,并且随着沉积温度的提高,热解碳基体与纤维的界面结合逐渐增强,断裂方式由假塑性断裂向脆性断裂逐渐转变.     

时效处理对Cu-Co-(Ti)合金力学和电学性能影响

本文设计开发了一种无毒耐高温的高强高导铜合金,用以替代Cu-Co-Be合金材料.通过熔铸法制备了Cu-0.13 wt%Co及Cu-0.06 wt%Co-0.08 wt%Ti合金,并对其进行了固溶、冷轧、时效处理.测试合金时效后硬度和电导率变化,同时采用金相显微镜和透射电子显微镜观察合金显微组织,分析其组织与性能的关系.研究发现,合金在400℃时效时,随着时效时间的延长, Cu-0.13 wt%Co合金电导率轻微上升,硬度大幅度降低; Cu-0.06 wt%Co-0.08 wt%Ti合金电导率逐渐升高,时效24 h后硬度几乎保持不变,抗软化性能良好.时效前两种合金组织中均无第二相,经400℃时效24 h后Cu-0.06 wt%Co-0.08 wt%Ti合金中析出CoTix相,平均尺寸为15 nm.析出相产生的时效硬化作用和净化基体作用是Cu-0.06 wt%Co-0.08 wt%Ti合金具有良好力学和电学性能的关键.     

SPS过程中导电粉体的显微组织演变规律及机理

放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)是最近几年国际上兴起的粉末烧结新技术, 具有升温速度快、保温时间短、冷却迅速等独特优势, 尤其适于纳米及非晶块体材料、陶瓷和梯度材料等先进材料的制备. 然而, 与利用SPS技术探索新材料制备的实验报道相比, 有关其特殊烧结机制的研究极为缺乏. 基此, 选用导电的纯金属铜粉作为烧结原料, 设计了一系列烧结实验, 研究得出了SPS过程几个重要的特征烧结阶段及其中显微组织演变的规律. 提出了SPS过程中烧结体显微组织演变的“自调节机制”, 由此揭示了制备高致密度、均匀、细晶材料的SPS技术优势的内在机理; 还对SPS烧结体的致密化过程进行了定量预测, 实验测定值证实了模型预测结果.