TiAl基合金双态组织原位拉伸-卸载试验研究

通过对TiAl基合金不同类型的缺口试样进行原位拉伸-卸载实验及其SEM断裂表面观察,研究了TiAl基合金的断裂机理.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.对于双态组织,由于晶粒尺寸小,应力集中出现在缺口根部,裂纹沿晶粒边界和层间起裂并扩展,裂纹路径比较平直.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.     

全层片组织 TiAl 基合金室温断裂机理的研究

在ＳＥＭ和ＴＥＭ下对Ｔｉ３３Ａｌ３Ｃｒ０．５Ｍｏ合金全层片组织薄板状和薄膜状试样分别进行了动态拉伸，并原位观察了试样中裂纹的形核及扩展过程．发现裂纹遇到内相界面时会发生偏转或裂尖发生钝化；主裂纹主要以使剪切带断裂而与微裂纹相连接的方式扩展并沿曲折路径进行．     

SEM原位观察ZK60(0.9Y)镁合金板材的断裂行为

利用原位拉伸扫描电镜观察,研究ZK60合金及含稀土Y的ZK60(0.9Y)合金热轧板材动态拉伸过程中裂纹萌生和扩展情况,讨论合金的显微组织与断裂行为的相互关系.实验表明:在拉伸过程中,合金轧制态试样裂纹以撕裂的形式进行扩展,断口区域有解理、准解理断裂痕迹,ZK60(0.9Y)合金裂纹萌生所需载荷大于ZK60合金,且在拉伸过程中发生第2相的破碎,主裂纹沿第2相扩展,基体中的二次裂纹多萌生于第2相周围.     

SEM原位观察双尺度纳米晶304不锈钢的断裂行为

利用原位拉伸扫描电镜,观察并研究了"铝热反应法"制备出的304奥氏体不锈钢试样经退火与轧制处理后动态拉伸过程中裂纹的萌生与扩展情况及其与双尺度微观组织之间的相互影响关系.结果表明:在拉伸过程中,微裂纹易生成于微米晶和纳米晶间的晶界处,在纳米晶基体中延伸、扩展.裂纹扩展路径受拉伸应力状态以及板材内部晶粒和粗大第二相分布的影响.双尺度组织中微裂纹产生的背应力可有效减缓裂纹扩展速度,从而增强了材料整体的延展性.     

球墨铸铁微观断裂过程的动态观察

用ＨＭ－４高温金相显微镜垃伸装置，在常温下对铁素体和索氏体基体球铁的拉 伸微观断裂过程进行了动态观察。结果表明：铁素体基体球铁，随拉力增大，首先在 试样心部若干石墨球（或团絮状石墨）上沿着与拉力方向约成９０°方向基体启裂， 随后以石墨球为核心微观裂纹自心部向二侧跳跃式地发展，形成网络状裂纹。当裂纹 聚合至某一临界尺寸，剩下边缘部分快速断裂。裂纹的走向从微观看皇锯齿状，从宏 观看与拉力方向相垂直，索氏体基体球铁拉伸断裂机制也是首先从试样心部石墨球界 面上启裂形成与主拉力成９０°微裂纹，随后向二侧扩展，但是微裂纹发展很不充分 便快速断裂。裂纹走向与铁素体基体相似。 根据实验结果，我们建立了一个多夹杂双相非均质体断裂力学分析的物理模 型［１］。     

模拟混凝土破坏过程的微裂纹模型及其应用

提出了一种适用于定量模拟混凝土材料的微细观裂纹数值模型.该模型可用于模拟和分析材料破坏的全过程,包括砂浆/粗骨料界面上初始微裂纹的扩展、微裂纹的聚合、宏观主裂纹的形成与扩展及最终破裂的全过程.作为分析实例,对4组不同配比的16种混凝土拉伸试样进行了破坏过程仿真分析.结果表明,利用该数值模型可揭示混凝土常见的拉伸破坏模式与机理;骨料体积增加时,混凝土的延展性有增大趋势,强度则呈现减小趋势,这与已有文献中混凝土拉伸实验结果相符.该数值模型直接从失效机理出发,建立了定量描述含微细观裂纹的准脆性材料破坏过程的新方法,可望为该类材料/结构的失效控制或安全设计提供参考.     

铸铁断裂机理原位拉伸研究

用SEM原位拉伸实验对不同缺口的灰铸铁试件的断裂过程做了详细研究和分析.研究结果表明,铸铁的断裂与钢的脆性解理断裂不同.铸铁试件的断裂过程与预缺口的形态有关;在载荷很小时产生微裂纹,随着载荷的增加,微裂纹扩展,微裂纹扩展的同时产生大量新的微裂纹,直至各裂纹连接使试件整体断裂.     

全层TiAl基合金断裂机理的原位拉伸研究

通过对不同缺口类型试样的SEM原位观察分析，研究了全层TiAl基合金的断裂机理．结果表明，在整个断裂过程中：1)几乎都是穿层断裂；2)出现大量的微裂纹．全层TiAl基合金裂纹的形成、扩展有沿层和穿层两种方式，断裂方式取决于拉伸轴与层片位向之间的相应关系，当拉伸轴和层片位向近似平行时，断裂行为是穿层断裂和沿晶断裂行为，断裂过程的驱动力是拉伸应力，缺口类型只影响裂纹的起裂，而对随后的断裂几乎没有影响．     

车轮钢形变断裂过程的原位研究及氢影响

在扫描电镜下对CL60车轮钢单边缺口薄试样(厚度≤0.5mm)进行了原位拉伸实验,并研究了氢的影响.在金相显微镜下观察了带预裂纹的厚度为30mm的楔形张开加载试样开裂过程.结果表明,对薄试样拉伸变形时,不论是否有氢,先共析铁素体优先发生塑性变形,微裂纹沿先共析铁素体与珠光体团的边界形核、扩展;在有氢的情况下,微裂纹更容易通过夹杂物的剥落或夹杂物与基体界面的分离而萌生;薄试样拉伸主要是韧窝断口;对厚试样,裂纹主要通过珠光体中渗碳体片层开裂而扩展,断口也因此主要呈解理特征.     

双态组织γ-TiAl基合金的室温拉伸断裂机理的研究

通过对双态组织的扫描电镜原位拉伸实验、相应的断裂表面观察以及有限元计算,研究了TiAl基合金双态组织拉伸的断裂机理.研究表明,许多裂纹在塑性变形前沿着层间起裂和扩展,断裂发展的驱动力是拉应力.在直缺口试样中,许多裂纹直接起裂于缺口根部,而且起裂于γ晶粒,并沿着层间扩展.随着拉应力的增加,主裂纹和新裂纹也可以通过障碍晶粒的穿层解理断裂来连接.然而在V型缺口试样中,裂纹则起裂于距缺口根部一定距离处.通过有限元计算得到沿层断裂强度大约为110MPa,穿层断裂强度大约为250MPa,这就是裂纹更容易沿着层间形核及扩展的原因.     

基于三点弯曲试验研究合金化镀层剥落机制

通过三点弯曲试验,利用电子探针(EPMA)、扫描电镜(SEM)及金相显微镜(OM)研究了合金化镀锌板(GA)不同应力状态(压应力、拉应力)下裂纹的扩展、延伸及镀层的剥落.结果表明:锌层从合金化炉出来冷却过程中锌层中的裂纹产生于δ和Γ相中.在变形过程中,压应力和拉应力侧裂纹的扩展和锌层的剥落机制不同.在拉应力一侧,裂纹沿着垂直板面的方向延伸,到达Γ-αFe界面,沿着平行于Γ-αFe界面继续延伸,与第二条裂纹接触后,锌层剥落;在压应力一侧,裂纹沿着与板面成一定角度的方向扩展,最后镀层剥离或者在δ相内或者与拉应力一侧相同,到达Γ-αFe界面后,沿着Γ-αFe界面延伸最后产生破坏.实验结果还表明,镀层在压应力条件下更容易产生粉化现象.     

基于塑性损伤理论的钢筋混凝土锈胀裂纹模拟

基于混凝土的塑性损伤理论建立了钢筋混凝土保护层锈胀开裂的有限元模型.通过位移加载来模拟钢筋的锈胀作用,以最大应变作为混凝土损伤的判据,通过衰减混凝土弹性模量来实现混凝土损伤,研究了钢筋锈蚀引起的混凝土保护层内裂纹发生和扩展的轨迹.为了直观表示开裂轨迹,通过ABAQUS子程序USDFLD定义拉伸状态下的场变量f1,给出了内部裂纹、表面裂纹产生时对应的临界锈蚀率,探讨了钢筋直径、锈胀系数、保护层厚度对临界锈蚀率的影响.结果表明:侧向裂纹从混凝土内部钢筋表面开始扩展,竖向裂纹从混凝土保护层的外表面开始向内部扩展,且出现较晚;临界锈蚀率随着钢筋直径、锈胀系数的增大而减小,特别是锈胀系数的影响更显著,而...     

韧性断裂机理的理论探讨与基于铝合金薄板韧性断裂准则的修正

对韧性材料的断裂机理进行理论研究.当裂纹尖端附近两个相邻的材料微单元体的破坏面共面或共线时,裂纹可以通过破坏面扩展并传递到相邻的单元;当两个单元体的破坏面与两单元体中心线成一定角度时,两单元体之间将产生相对滑动或旋转,使得两破坏面之间重新共面或共线,从而使得裂纹可以扩展,形成一个连续的裂纹开裂面.基于铝合金6063薄板修正韧性材料的断裂准则,并用简单的平面应力状态下的平板拉伸试验和平面应变状态下的缺口拉伸试验,结合有限元ABAQUS计算求得韧性断裂准则中的材料常数.     

岩石单轴压缩下破坏失稳过程SEM即时研究

通过在扫描电镜下进行单轴加载实验,即时观察分析岩石受力过程中微裂纹的萌生、扩展和贯通破坏的全过程,得到各试样的应力 应变曲线及其所对应的微结构变化的电镜照片·实验结果表明,岩石试件的变形与破坏过程可以分为裂纹压密、微裂纹萌生和扩展以及断裂破坏３个阶段;微裂缝首先在预裂缝周围的拉应力集中区产生,随着外载荷的增加不断扩展,最后形成与最大主应力方向平行的宏观断裂带·     

Finite Eement Facture Aalysis of the Main Arm of Tower Cranes with the 3-D Cracks

In this paper the local solutions of displacement fields in front of three-dimensional cracks are introduced and a new singular element of three-dimensional crack problems is constructed, and a new method for calculating stress intensity factors of three-dimensional crack problems is presented. With the present method, the structural strength of with longitudinal closed cracks under axial tensions is analyzed. It is possible for the crack to propagate because there are ring tensile stresses near joints of the main arm in tower cranes under axial press stresses. The stress and the stress intensity factor are calculated at joints on the main arm of tower cranes. Influences of welding residual stress on stress intensity factors and stresses are discussed.     

水力压裂中多裂缝间相互干扰力学分析

将复变函数理论与位错理论相结合 ,在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下 ,建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型 ,利用该模型可对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。假设裂缝沿着垂直于局部最大周向拉应力方向扩展 ,应用数值方法对所建立的数学模型求解 ,得到裂尖的应力强度因子及转角。数值计算结果表明 ,裂缝间存在相互干扰时所产生的剪切应力强度因子远远小于法向应力强度因子。当两个裂缝尖端垂向距离为零时 ,法向应力强度因子达到最大值。两个裂缝尖端没交叠之前裂缝基本沿着轴线扩展 ;当尖端交叠面积较小时 ,两裂尖偏离自己的轴线向避开对方的方向扩展 ;当尖端交叠面积较大时 ,两裂缝向靠拢对方的方向扩展 ,最终将贯通在一起     

基于相互作用积分方法的裂纹扩展分析

使用传统有限元方法对裂纹扩展问题进行分析时,裂尖奇异性是首先必须要面对的问题,其次裂纹扩展的方向、长度与模型的网格密切相关.本文通过建立一个不完全依赖于网格的模型来分析裂纹扩展问题,利用相互作用积分方法来求解裂尖参数,积分方法可以一定程度上消除奇异性影响,从而避免了裂纹尖端的奇异性对网格划分的苛刻要求.采用相互作用积分法则求解裂纹尖端的应力强度因子,由最大周向拉应力理论来判断裂纹的扩展方向.模拟裂纹扩展的过程中,只对涉及扩展区域的网格进行重新剖分来获得最终的扩展路径以保证计算的精度.最后通过I型裂纹扩展、带孔板裂纹扩展及受压裂纹扩展等几个典型算例与参考文献进行对比,证实了本文方法具有良好的可靠性,并展示了在多种破坏模式下方法的适用性.     

含不同角度穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含不同预置角度穿透裂纹板受拉伸断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用自编有限元程序求解虚功原理方程,裂纹扩展参照了LS-DYNA商业计算软件处理断裂问题的单元失效方法,考核了不同幅值载荷和预置裂纹角度的影响,给出了不同时刻等效应力云图和指定点的应力、应变随时间变化曲线.计算结果表明:当应力波在板中传播时,会在裂纹尖端引起应力集中,板产生垂直裂纹和水平裂纹.垂直裂纹扩展垂直于加载方向,水平裂纹扩展平行于加载方向,两者均与预置裂纹角度无关.板上不同位置的应力变化仅和相对裂尖位置相关,而与预置裂纹角度无关.相对裂尖位置、与板边界距离和加载位置是影响应变随时间变化的主要因素.当载荷幅值较小时,不会出现裂纹扩展.当载荷幅值较大时,聚集在裂纹尖端的应变能需较长时间才能释放,这会影响水平裂纹的出现时间.     

Propagating solitary waves along a rapidly moving crack front

A rapidly moving crack in a brittle material is often idealized as a one-dimensional object with a singular tip, moving through a two-dimensional material. However, in real three-dimensional materials, tensile cracks form a planar surface whose edge is a rapidly moving one-dimensional singular front. The dynamics of these fronts under repetitive interaction with material inhomogeneities (asperities) and the morphology of the fracture surface that they create are not yet understood. Here we show that perturbations to a crack front in a brittle material result in long-lived and highly localized waves, which we call 'front waves' These waves exhibit a unique characteristic shape and propagate along the crack front at approximately the Rayleigh wave speed (the speed of sound along a free surface). Following interaction, counter-propagating front waves retain both their shape and amplitude. They create characteristic traces along the fracture surface, providing cracks with both inertia and a new mode of dissipation. Front waves are intrinsically three-dimensional, and cannot exist in conventional two-dimensional theories of fracture. Because front waves can transport and distribute asperity-induced energy fluctuations throughout the crack front, they may help to explain how cracks remain a single coherent entity, despite repeated interactions with randomly dispersed asperities.