基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法

准确表征与直观显示岩体复杂的内部结构与应力场是解决诸多地下工程问题的基础和关键.本文运用CT成像、三维重构和3D打印技术制备了包含复杂裂隙的天然煤岩模型,借助三维应力冻结和光弹技术,直观定量地显示了单轴压缩载荷作用下复杂裂隙煤岩内部的应力场分布特征.研究表明:通过3D打印技术制备的煤岩模型具有与天然煤岩一致的裂隙结构特征;3D模型的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学性能指标接近于天然裂隙煤岩;在不连续裂隙周边的高应力分布区域以及应力级差等方面,3D模型的实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性;该方法能够直观定量地显示不连续不规则裂隙对煤岩的强度、变形以及应力集中区的影响.3D模型打印与应力冻结技术相结合为实现地下岩体内部复杂结构与三维应力场分布的定量表征与可视化,以及印证数值模拟结果提供了新途径.     

在差应力条件下石英-柯石英转化的实验研究

在固体介质三轴实验系统中采用石英岩进行了石英-柯石英转化的实验研究. 实验结果表明, 在实验围压1.3 GPa, 温度950~1000℃, 差应力1.5~1.67 GPa, 应变75%~81%的条件下, 在塑性变形的实验样品石英岩接近端部的区域, 经Raman光谱分析证实出现了细粒柯石英, 显然, 在差应力条件下出现柯石英的压力远小于静压条件下柯石英稳定存在的压力, 这表明柯石英的形成条件不是惟一的. 在差应力条件下石英-柯石英相变边界向低压方向迁移受最大主应力和差应力的控制, 最大主应力形成了相对较高的应力环境, 差应力导致了样品的变形. 本实验柯石英出现在塑性变形的样品中, 而前人报道柯石英既出现在半脆性变形的样品中, 也出现在塑性变形的样品中. 发生在低温半脆性域的相变机制 是差应力产生的剪切变形引起力学不稳定, 发生在高温塑性域的相变机制是在差应力环境下石英强 烈变形产生的高位错密度引起应变不稳定, 而这两种相变必须在围压大于一定值(如大于1 GPa)时才能发生.     

TiC/Ni3Al复合材料的低温致密化

TiC由于其低密度、高硬度、易加工性,以及与铁族金属的良好接合性而被广泛用于硬质工具材料及其他金属-陶瓷复合材料;另一方面,Ni_3Al金属间化合物在900℃附近具有独特的高温强度和高温抗氧化特性,被认为是金属-陶瓷复合材料中金属相的优选材料.已有的研究表明,TiC汇与Ni_3Al具有良好的界面相容性,TiC和Ni_3Al组成的复合材料具有很高的强度,所以,选择Ni_3Al和TiC作为热应力缓和型梯度材料的金属相和陶瓷相而得到的TiC/Ni_3Al系FGM(functionally graded materials)材料将能够抵抗由于大温度落差而产生的巨大的热应力.但是,由于TiC与Ni_3Al的烧结温度之间差别很大(前者最低为1800℃,后者最高为1300℃),热压温度只能控制在1300℃左右,在该条件下,如不采用“温度梯度烧结”方法来制备整体致密的TiC/Ni_3Al系梯度材料将十分困难,这是因为在富金属侧,由于Ni_3Al的粘结作用,使得TiC/Ni_3Al复合材料能够致密;但是在少金属侧,如0%,5%,10%,20%(体积分数,下同)Ni_3Al层,由于金属含量少,Ni_3Al相不能完全地粘接TiC使之致密,则得不到整体致密的TiC/Ni_3Al系FGM.因此,TiC和少金属TiC在低温下的热压致密化是一项非常有意义     

高速撞击诱导大梯度纳米结构化高熵合金的力学行为

国防军工与航天领域的防护结构要求材料能经受住弹体或空间碎片的高速撞击,包括处于极低温环境.高熵合金因其特殊的化学结构与优异的综合力学性能,成为新型装甲防护材料研究的新范式.本文通过弹丸高速撞击高熵合金靶板的响应分析,提出了一种通过室温和低温高速冲击制备大梯度纳米晶和纳米孪晶混合结构高熵合金的新方法,并研究了该梯度纳米结构高熵合金的拉伸力学性能以及变形机理.结果表明,大梯度纳米结构从冲击端到自由面,微结构过渡主要为:纳米晶-纳米晶带-高密度纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-稀疏纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-高密度位错-稀疏位错.单纯纳米晶和纳米孪晶混合结构的梯度层厚度达到4 mm,远超传统手段制备的梯度层厚度(小于500μm).相比初态样品,大梯度纳米结构高熵合金的强度提升明显,最高提升390%,塑性仍保持在较大范围内:21%～62%.这得益于大梯度样品“软区”和“硬区”共存,除了较大背应力提供额外强化外,软硬组织弹塑性变形的不同步和断裂发生的不同步也会额外提高力学性能.本研究不仅可为开发块体大梯度纳米结构材料提供新方法,也可为理解高熵合金的抗弹行为并指导装甲防护材料设计提供...     

纳米晶体材料的有效弹性模量与界面效应

纳米晶体材料的很多性质与界面效应有关，从材料的微观结构特点出发，研究界面对材料的有效弹性性质的影响，首先，将纳米晶体材料看作一种两相复合材料，基体是具有不规则原子结构的界面相，夹杂是具有理想晶格的晶粒相，用Mori-Tanaka方法给出了有效模量的表达式，进而用应变梯度弹性理论，通过对纳米晶体材料的代表性胞元的分析，考察了应变梯度对材料变形行为的影响，分析了界面效应影响材料性质的两种微观物理机制，其一是界面相不规则原子结构的软化效应，其二是界面附近边界层存在引起的硬化效应。     

不同压电材料反平面应变状态的电渗透型界面裂纹

将压电材料中的电渗透型裂纹处理成静电学的连接界面 ,按上、下两表面的切向电场强度连续和法向电位移连续建立裂纹处的电学边界条件 ,精确分析了不同压电材料反平面应变状态的共线界面裂纹问题 ,给出了单个界面裂纹和双界面裂纹的复型封闭解 .结果表明 :在裂尖处应力、应变、电场强度和电位移均有(1/2 )阶的奇异性 ,裂纹扩展能量释放率仅与应力、应变强度因子有关 .其退化结果与文献结果一致     

等通道转角挤压镁合金Mg-Zn-Nd拉伸性能的研究

文章通过在不同温度和不同应变速率条件下进行拉伸实验,研究了实验温度和应变速率对经不同道次和路径等通道转角挤压的Mg-Zn-Nd合金超塑变形行为的影响。流变应力与应变速率结果表明,经过4道次C等通道转角挤压后Mg-Zn-Nd镁合金的延伸率最好;流变应力与实验温度的关系则表明,经过等通道转角挤压后Mg-Zn-Nd镁合金的超塑变形机制应为晶界扩散控制的晶界滑移。     

等通道转角挤压镁合金Mg-Zn-Nd拉伸性能的研究

文章通过在不同温度和不同应变速率条件下进行拉伸实验,研究了实验温度和应变速率对经不同道次和路径等通道转角挤压的Mg-Zn-Nd合金超塑变形行为的影响.流变应力与应变速率结果表明,经过4道次C等通道转角挤压后Mg-Zn-Nd镁合金的延伸率最好;流变应力与实验温度的关系则表明,经过等通道转角挤压后Mg-Zn-Nd镁合金的超塑变形机制应为晶界扩散控制的晶界滑移.     

用遥感法测量钢建筑物应力的实验研究

我们在研究岩石的电磁辐射中,发现岩石的红外辐射和微波辐射随岩石应力状态变化而变化的物理现象,若这一物理现象在钢材料中也存在,那么对钢建筑物的应力及其分布有可能进行遥感测量,我们对钢材料进行了实验,得出了钢材料的红外辐射能量和微波辐射能量随钢材料应力状态变化而变化的实验结果,本文报道了这一新结果.     

热电耦合作用下功率器件引脚开裂的机理

在电子产品的小型化的趋势下,电力电子器件所承受的工作温度、电流密度越来越高,这给封装材料提出了严峻的挑战.一种引线框架材料为C194合金的MOSFET器件,在高电流密度的工作环境下服役3～4年后发生了引脚开裂的现象.针对该失效现象,使用扫描电子显微镜对界面金属间化合物和断口形貌进行了精细的微观表征,确定了电迁移和热迁移的耦合作用是导致引脚开裂的主要原因.具体地,对于器件源极来说, Cu原子的电迁移与热迁移方向相反,且热迁移扩散通量较大,抵消了电迁移的作用从而导致了阳极开裂的反常现象.对于器件漏极来说,Cu原子的热迁移方向与电迁移方向相同,热迁移加速了阴极界面裂纹的萌生与扩展,开裂情况最为严重.为了进一步揭示开裂机理,我们使用电子探针、透射电子显微镜分析发现,在C194合金与金属间化合物界面上,原本弥散分布于C194合金内部的铁晶粒发生了明显的晶粒长大,并富集形成连续层.由于细小铁晶粒组成的富铁层弱化原有的界面结合力,成为薄弱环节.因此,在外加热应力或机械应力下,裂纹总是沿着由铁晶粒形成的富铁层发生开裂.综上,该器件引脚开裂的失效模式为典型的多场耦合作用下的失效形式,相关机理将为产品工艺优化和提高使用寿命提供理论指导.     

热测应力:测震学证据

通过基岩温度观测可以获取地壳应力动态变化信息(称热测应力),但缺乏与其他观测手段的对比验证.本研究基于康定Ms6.3级地震同震温度响应,结合测震学结果,对同震应力变化的量级和空间分布特征等开展对比分析.结果显示:(1)热测应力与测震学两种方法获得的结果,应力变化的量级一致;从应力张压特性与温度变化上看,拉张降温,挤压升温,与理论和实验结果相吻合.(2)依据不同基岩温度测点获得的应力变化的张、压分区情况,康定地震的震源体深度更接近于测震学研究结果的上限范围.这意味着,基于基岩温度获取的地壳应力变化结果,可对震源分析提供一个新的约束条件.总之,随着基岩温度测量技术的提高,基岩温度观测有可能成为一种观测地壳应力动态变化的常规手段.     

建筑火灾模拟的区域-粒子模型

提出了一种新型的模拟火灾烟气运动和混合行为的模型. 该模型引入了一个标量函数来表征热烟气和冷空气的混合, 以此来提高温度和烟气浓度在垂直方向上的预测精度. 模型采用光滑粒子流体动力学方法(SPH), 通过重构粒子的速度, 求解粒子位置, 计算其在区域模型中各层的数量, 来获得标量函数的分布. 采用一个标准的实验建筑算例, 通过其与实验数据, CFD模拟数据和传统区域模型CFAST的比较, 验证了模型的合理性. 与传统的区域模型相比, 新模型的温度预测结果与实验数据和CFD模拟数据符合较好.     

类岩材料多裂隙体在单轴压缩下的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)软件,考虑岩石的非均匀性,对含不同裂隙倾角和分布密度的试件在单轴压缩下的破坏模式进行研究,探索了不同裂隙倾角和分布密度对多裂隙类岩石材料断裂破坏模式的影响规律.数值分析与实验结果基本一致,试样破坏是一个由渐变到突变的过程,总体破坏过程可大致分为弹性变形阶段、裂纹萌生和稳定扩展阶段、裂纹不稳定扩展至失稳阶段3个阶段;声发射事件也可对应分为线性阶段、增长阶段、突变阶段3个阶段.对比不同试件组发现,含多预制裂隙体的裂纹贯通方式和整体破坏方式由裂隙倾角起主导影响作用;裂隙分布密度对裂隙体整体破坏形式的影响因裂隙倾角的差异而有所不同.     

LBE MRT 方法模拟Marangoni 对流

有机溶液在水表面溶解会引起表层表面张力变化, 产生表面张力梯度, 从而诱发 Marangoni 对流. 采用 LBE MRT 方法对室温下圆柱烧杯中滴加低浓度乙醇溶液诱发的 Marangoni 对流现象进行模拟, 结果表明由表面张力梯度诱发的Marangoni 对流在表面薄层区 域强度较大且速度梯度较大, 但在主液相区流速相对很低. 本文模拟的最大表层速度数值和表 层速度分布结果与同条件下的实验结果基本相符.     

第7届梯度功能材料国际学术大会(FGM2002)在北京召开

第7届梯度功能材料(FGM)国际学术大会于2002年10月15-19日分别在北京友谊宾馆、中国历史博物馆召开.这是一个系列性、权威性的国际性学术讨论会,每两年举行一次.前一届大会于2000年在日本召开. 1987年,日本科学家新野正之首先提出了梯度功能材料的新设想和新概念,并展开研究.这种全新的材料设计概念的基本思想是:根据具体要求.选择使用两种具有     

地震预报的一种可靠方法

地壳最外层(30公里左右)是由坚硬的岩石组成的.在这层地壳内,始终存在着起因尚不清楚的地质构造力的作用.某些地区暂时尚能抵挡住在这些力的作用下形成的位移,但结果是这一地区内的应力梯度逐渐增大.这种应力的积聚过程可能长达几百年到几千年,最后,当局部应力达到足够的强度时,就会引起     

筒形旋压件残余应力的预测

强力旋压技术目前已广泛应用于航空航天和兵器等工业生产中,它是制造大型薄壁回转体零件的主要方法之一[1].旋压加工属于局部渐进变形,变形分布很不均匀[2],致使旋压成形后工件内存有大小不等的残余应力,它是导致旋压件破裂的主要原因.旋压过程中,工艺参数较多,影响因素复杂,用实验的方法找出诸多因素对残余应力分布的影响规律,不但时间长,而且费用惊人.用弹塑性有限元法预测筒形旋压件残余应力的大小及其分布,在国内外尚未见报道.本文用自行开发的三维大变形弹塑性有限元模拟系统成功地对筒形旋压件残余应力的大小及其分布进行了预测,这为…     

高分子复合膜的界面与性能的相关性

复合膜一般由不对称多孔支撑层上复合超薄功能层而成,复合膜的性能和与渗透组分直接相接触的超薄功能层的理化性质有着密切的关系,超薄功能层/多孔支撑层界面的物理化学性质对复合膜分离性能的影响也不可忽视,实验表明,界面层的化学组成与结构.极性强弱、荷电性、形态分布、界面结合能对复合膜的性能有较大影响.超薄功能层的化学组成直接影响着复合膜的性能,它一般只有几十个纳米,超薄功能层/多孔支撑层之间的界面层的化学组成间接影响复合膜的性能,如反渗透复合膜的该界面引入极性基因如磺酸基有利于提高水通量;在气体分离用复合膜中,结合待分离气体的理化性     

316L不锈钢表面自身纳米化疲劳性能研究

文章分析研究了表面纳米层的微观组织结构特征,并对试件进行了疲劳试验,分析结果后,简述了表面自身纳米化对材料疲劳性能的影响。     

316L不锈钢表面自身纳米化疲劳性能研究

文章分析研究了表面纳米层的微观组织结构特征,并对试件进行了疲劳试验,分析结果后,简述了表面自身纳米化对材料疲劳性能的影响.