金属切削中的蓝脆效应与热塑剪切失稳

热塑剪切失稳(绝热剪切)是广泛存在于许多动态塑性变形过程中的一种材料破坏现象。蓝脆效应是某些钢类材料特有的一种强度温度特性。认识二者之间的关系,对于动态塑性工程设计中的合理选材和过程优化十分重要。金属切削过程所具有的大应变、高应变率和热集中环境,对于许多难加工金属材料,很容易观察到热塑剪切失稳的发生,这些材料包括钛及其     

Zr65Al7.5Ni10Cu17.5金属玻璃非均匀塑性变形过程中的自由体积演化

利用差示扫描量热法研究了铸态和退火态Zr65Al7.5Ni10Cu17.5金属玻璃在冷轧过程中的自由体积演化.随着塑性变形的进行,自由体积含量先增加,然后于临界应变之上达到饱和,在此过程中材料则始终维持在完全非晶状态.金属玻璃的初始自由体积含量少,变形过程中自由体积增加的速度大,因此不同初始状态的金属玻璃在大塑性变形后自由体积含量彼此接近.剪切带中的自由体积聚合形成纳米孔洞是自由体积在大应变下达到饱和的原因.     

离散位错动力学算法及其在材料塑性行为模拟中的应用

晶体材料的塑性变形由位错的运动演化而引起.离散位错动力学(discrete dislocation dynamics, DDD)通过直接模拟大量位错的演化而研究材料的塑性变形,因此能够揭示材料微结构-位错微结构-塑性力学行为之间内在的物理关联,并能够自然而然地捕捉塑性变形微米/亚微米特征尺度下本征的尺度效应.它所能模拟的尺度介于微观分子动力学模拟和宏观有限元模拟之间,在多尺度算法中起到承上启下的作用.本文首先系统地发展、完善和丰富了离散位错动力学-有限元(finite element method, FEM)叠加算法、DDD-FEM直接耦合算法(discrete-continuous method, DCM)以及离散位错动力学-扩展有限元(extended finite element method, XFEM)耦合算法等框架体系.在此基础上,利用这些方法对单晶镍基高温合金的塑性变形机理、晶体材料的断裂和损伤变形行为以及塑性行为的微尺度和微结构效应3个方面开展了系统的研究.所得模拟结果指导了基于微结构和位错机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构模型的建立,丰富和加深了人们对材料强化、循环塑性、断裂、损伤、尺度效应和微结构效应的认识.此外,离散位错动力学可进一步应用于诸如高温、高压、高应变率、化学腐蚀环境、高辐照等极端条件下晶体材料塑性行为的研究,是材料力学行为多尺度模拟研究中的重要一环.     

Zr65Al7.5Ni10Cu17.5金属玻璃非均匀塑性变形过程中的自由体积演化

利用差示扫描量热法研究了铸态和退火态Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5金属玻璃在冷轧过程中的自由体积演化. 随着塑性变形的进行, 自由体积含量先增加, 然后于临界应变之上达到饱和, 在此过程中材料则始终维持在完全非晶状态. 金属玻璃的初始自由体积含量少, 变形过程中自由体积增加的速度大, 因此不同初始状态的金属玻璃在大塑性变形后自由体积含量彼此接近. 剪切带中的自由体积聚合形成纳米孔洞是自由体积在大应变下达到饱和的原因.     

室温超高塑性和超高强度块体非晶合金材料

长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标。但是，由于变形机制的限制，在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金届合金达到结构长程无序的非晶状态时，在室温下，其强度远远高于同成分的晶态金属合金，但是其塑性变形能力几乎完全丧失。其主要原因是非晶合金没有位错等缺陷，在变形过程中主要通过高度局域化并软化的剪切带来承担塑性应变，这导致非晶材料的脆性断裂。因此，非晶合金的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。中科院物理所汪卫华研究组几年来在非晶态合金材料的塑性变形方面做了较系统的研究，澄清了脆性材料断裂研究中一些重要科学问题.     

大块非晶合金Zr64.80Cu14.85Ni10.35Al10的室温超塑性

通常大块非晶合金在室温单轴载荷作用下表现出极其有限的塑性变形能力, 其塑性变形量一般不超过2%. 通过合理的合金成分设计, 采用铜模吸铸法制备了直径为2 mm的Zr_64.80Cu_14.85Ni_10.35Al₁₀非晶棒, 用X射线衍射和示差扫描量热仪研究了该非晶的结构和热稳定性, 并用单轴压缩试验研究了其室温下的塑性变形行为. 研究结果表明, 该非晶合金的玻璃转变温度和晶化温度分别为646和750 K, 其显微硬度为594.7 Hv. 压缩试验中, 在工程应变和工程应力分别达到9.05%和1732 MPa, 即真应变和真应力达到9.42%和1576 MPa时, 非晶棒开始发生屈服; 屈服后, 随着载荷增大及应变量的增加, 非晶试样被压成圆饼状, 在工程应变量大于70%, 即真应变量超过120%时, 尚未发生断裂, 表现出室温超塑性. 通过合理的合金成分设计, 成功制得具有室温超塑性的新型大块非晶合金.     

纳米结构金属晶界塑性机理的原子尺度模拟研究进展

纳米结构金属中富含晶界,对材料微观结构演化与宏观力学性能调控具有重要意义.厘清纳米结构金属晶界塑性变形的原子尺度机理,将之与材料宏观力学行为相联系,是纳米结构金属力学研究关注的核心问题.近年来,我们围绕晶界塑性变形机制及其影响因素,采用原子尺度模拟方法,探究了晶界诱导孪生与界面宏微观自由度的关联规律,揭示了晶界位错往复滑移主导的纳米晶体循环塑性机制,提出了孪晶界滑移诱导纳米晶体极端剪切变形,发展了取向依赖的晶界迁移和滑移转变模型,为纳米结构金属晶界行为预测与调控提供了新思路.本文梳理了晶界塑性原子尺度模拟的研究现状,总结了本团队从原子尺度探究晶界塑性变形机理的相关进展,指出了纳米结构金属晶界调控理论与力学表征的难点和挑战.     

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...     

非线性材料中空穴生成和增长问题的一些进展

本文综合近年来的研究成果,对非线性材料中的静、动态空穴生成和增长问题的研究进行了系统的评述.介绍了非线性材料超弹性理论的应变能函数、有限变形问题的求解问题,特别是非线性材料中的静、动态空穴生成和增长问题的最新进展,包括材料的温度等其他非弹性因素对空穴生成问题的影响等.     

声发射监测裂纹闭合行为

疲劳过程的声发射(AE)研究目前已做了许多工作,但与其裂纹闭合效应联系起来,还未见这方面的详细报道。声发射是材料内部局部区域应变能释放而产生的弹性应力波。材料形变时,位错运动、裂纹成核和扩展等均能产生AE。业已知道,带裂纹试样的声发射主要来自于裂尖的塑性变形和裂纹扩展,因此,声发射也受裂尖应力强度因子控制。基于这一原理,本文认为裂纹闭合效应也一定与声发射有对应关系。裂纹由接触到张开,柔度突然增大,塑性变形突增,以及有效裂纹长度迅速增加,反之亦然,声发射必定会给出这一突变以响应。实验极好地论证了这一预测,为监测裂纹闭合效应提供了一种新的测试手段。     

用高压电子显微镜观察拉伸载荷下α-Ti中裂纹扩展的动态过程

高压电子显微镜使用的试样较厚,能更好地反映材料在实际使用中的状态。近年来,利用高压电子显微镜进行范性形变过程和裂纹扩展的动态观察,已经受到越来越广泛的重视,力图将材料的微观形变过程与宏观力学性能联系起来。     

高聚物的物理化学力学

在固体材料的各种性质中,力学性能占有特殊的地位。随着新技术的发展,对于材料的力学性能提出了愈来愈高的要求。于是,如何获得具有特定性能的材料就成为一项严重的任务,摆在人们的面前。近二十年来,由于高分子化学的飞速发展,具有优良     

吸附促进位错发射、增殖和运动的TEM观察

由液体金属脆断的断裂韧性K_(IC)(L)可算出裂纹扩展的阻力R=(1-v~2)K_(IC)~2(L)/E,它比材料的表面能γ大1～3个数量级.因而不能用Griffith脆性断裂理论R=2γ来描述,只能用Orowan理论,即R=2γ_(eff)=2γ γ_p,其中γ_p 为局部塑性变形功. 对于液体金属脆,实验测出塑性变形功γ_p=(10～1000)γ.这表明,液体金属吸附而导致脆断的过程伴随大量的局部塑性变形,而且断裂能主要消耗在局部塑性变形上.     

超塑性拉伸失稳的研究

1 引言超塑性变形很重要的一个特点即在较大的延伸率下也不产生宏观颈缩或宏观颈缩扩展十分缓慢,即不易产生塑性失稳.影响塑性失稳的主要参数有应变速率敏感性指数 m 和应变硬化指数 n.目前有关超塑性失稳方面的研究颇多,Hart,Duncombe,Ghosh 等人皆考虑了颈缩的产生与扩展,但颈缩的开始点则是他们争论的焦点,进而得到有关塑性失稳的不同判据.虽然国内外学者对超塑性失稳问题进行了大量的研究工作,但是他们只是对某些特殊材料进行实验,利用一系列的 m,n 试验值对超塑拉伸时的颈缩进行研究.为此本文对表征     

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     

由Lagrange实验得到酚醛玻璃钢的动态本构方程

介绍由Ｌａｇｒａｎｇｅ实验、分析及拟合,得到未知材料的动态本构方程的方法。实验在轻气炮上进行,测量多点应力历和,经Ｌａｇｒａｎｇｅ分析得到数值本构关系,再拟合得到可供设计计算使用的动态本构方程。给出酚醛下班钢受冲击载荷时,一维应变状态下的一个本构方程。方程计算值与实测结果一致。     

2091铝锂合金电致高速超塑性研究

超塑性研究发展至今,正面临着三个主要技术难关的挑战:1)超塑性变形速度慢,大多数合金呈现超塑性的应变速度范围是10~(-4)—10~(-3)s~(-1);2)空洞问题,它涉及到超塑性成形件的机械性能;3)变形温度高(～0.5T_m),这牵涉到能耗及模具消耗.本文主要就第一个问题探索一下新的解决途径.现有超塑性理论认为提高合金的超塑性变形速度就必须更进一步地细化晶粒(∝1/d~2),而目前的超塑性预处理工艺,无论是形变热处理还是循环热处理工艺对合金晶粒的细化能力     

退火与“机械退火”对金属玻璃结构和力学性能的影响

金属玻璃是一种新型亚稳态金属材料,具有一系列优良的物理、化学和力学性能。然而在高温或室温长期使用条件下,金属玻璃易于转变为更稳定、更低能量状态的晶体材料,已成为限制其广泛应用的瓶颈之一。研究金属玻璃的退火对其结构、力学性能的影响具有重要的意义。文章综述了常规退火与"机械退火"对大块金属玻璃的结构和力学性能的影响。研究发现:在玻璃化转变温度以下退火时,密度、剪切波速度、纵波速度和弹性模量随退火时间的增加而增加,这是由于在结构上不同程度的原子重排所致;大块金属玻璃在低于屈服强度的恒定应力下"机械退火"密度增加;卸载载荷室温下时效处理超过30天后,屈服强度和断裂强度均降低,并且在塑性阶段锯齿状塑性流动的幅度增加。这个结果可能对于深入理解大块金属玻璃的结构和塑性变形具有一定的指导作用。     

构造超压能引起超高压变质作用吗?

针对“超高压变质岩在约３２ｋｍ深处受构造挤压作用而形成”的认识,列举岩石学和构造地质学论据,指出着应力引起的构造超压受到岩石强度的限制,由于岩石本身力学性质,应变速率及温度的影响,构造超压不会超过１ＧＰａ,更不会引起超主 变质作用,在计算塑性体变形或弹塑性体的塑性变形阶段的主应力值时,不应运用应力－应变的弹性本构方程。     

刚塑性可压缩材料热轧问题总能耗率泛函极值的存在与唯一性

针对刚塑性可压缩材料模型热轧过程的总能耗率泛函极值的存在与唯一性问题 ,求出了塑性变形功率泛函的梯度映射 ,它是严格单调的 .进一步地 ,证明了表面摩擦功率泛函是连续凸泛函以及外力功率泛函是线性有界泛函 .因而关于位移速度的总能耗率泛函是严格凸的 .利用非线性泛函分析的方法得到了该泛函的极值点存在且唯一 .