层厚比对钛/铝复合板拉伸力学性能的影响

针对TA1/3003层状复合板,考虑钛/铝层状复合板厚度方向非均质材料力学特性,通过单向拉伸实验,研究层厚比对钛/铝复合板拉伸力学性能的影响及断裂机理。结果表明,钛/铝复合板的强度、均匀伸长率、断裂伸长率等力学性能均介于两种组元材料之间,拉伸过程中试件在宽度方向上产生附加应力,产生向钛侧翘曲的现象。用ABAQUS模拟不同层厚比复合板的单向拉伸过程,结果表明复合板力学性能与组元层厚比和组元材料性能有关,对比模拟、加权公式与实验结果,表明抗拉强度、屈服强度与弹性模量基本符合层厚比加权平均规律,上述方法可用于预测复合板的性能参数,并为实现复合板综合力学性能定量化设计奠定了基础。     

原位观察铜网格增强Al/Cu复合材料的断裂行为

将一种按正交法编织的铜网格作为增强体引入到铝基体中制备了Al/Cu复合材料,再借助原位拉伸扫描电镜(SEM),观察了铝铜复合材料的组织演变,研究了其断裂机理与力学性能之间的关系.结果表明:在相同轧制变形量下,25 ℃冷轧和400 ℃热轧均可破碎增强体铜网格,并使其均匀分布于基体铝板.复合板原位拉伸下的载荷-位移曲线均表现出明显的弹性阶段、塑性阶段和失效阶段,微裂纹在Cu颗粒周围和应力集中处萌生,主裂纹及其扩展主要是Cu颗粒周围界面分层开裂与微裂纹沿滑移线方向的扩展共同作用下形成的,并且最终沿滑移线的断裂路径与单轴拉伸方向呈45°.发生在Al层的塑性断裂和Al/Cu结合界面上的界面分层断裂是Al/Cu复合板两种主要的失效方式.     

铝/钢爆炸焊复合板界面裂纹的扩展路径

以双向受均匀拉伸的铝/钢爆炸焊复合板为研究对象,采用应变能密度因子理论,分析表面对称中心的Ⅰ型裂纹扩展到复合板结合处时的扩展方向,讨论泊松比μ和裂纹尺寸对裂纹扩展路径的影响.结果表明:双向受均匀拉伸的铝/钢爆炸焊复合板中垂直于表面对称中心的Ⅰ型裂纹扩展到复合板结合处时,其扩展方向存在两种可能,一是裂纹继续沿着垂直于复合板结合处的方向扩展,二是裂纹扩展方向发生改变,沿着平行于复合板结合处的方向扩展,对此起决定性作用的是铝/钢爆炸焊复合板结合处熔化层材料的泊松比μ,并且当|μ-0.25|越大,复合板的板宽w越小、裂纹长度a越大,这种作用就越明显.     

层状TiAl基合金损伤机理的研究

通过拉伸卸载实验及原位拉伸SEM观察对层状TiAl基合金损伤机理进行了研究.研究结果表明,拉伸过程中产生微裂纹导致材料发生损伤;随着载荷的增加,原先产生的微裂纹继续扩展,微裂纹扩展的同时产生大量新的微裂纹;预损伤加快了裂纹的产生、扩展,使得损伤程度进一步加重;不同程度的预损伤使材料的弹性模量降低,造成材料抵抗裂纹产生、扩展的能力下降,但是对这种材料的最终断裂性能没有影响.     

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.     

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.     

钛钢复合板弯曲过程的扫描电镜原位观察

为了研究钛钢复合板在弯曲过程中的断裂行为,利用扫描电镜原位观察了爆炸和爆炸--轧制两种工艺生产的钛钢复合板在弯曲过程中裂纹的萌生和扩展.结果表明:外弯过程裂纹萌生的角度小于内弯过程,钛钢复合板内弯比外弯具有更强的抗裂纹产生能力.在爆炸钛钢复合板的弯曲过程中,裂纹主要在波头的界面结合处和漩涡中心处萌生;在爆炸--轧制钛钢复合板的弯曲过程中,裂纹在Ti--Fe金属间化合物硬块界面处萌生.产生裂纹的主要原因爆炸钛钢复合板的波头界面结合处和漩涡中心处、爆炸--轧制钛钢复合板的界面块状Ti--Fe金属间化合物具有较高的硬度,在变形的过程中难以协调变形.     

单轴压缩下孔洞砂岩细观破裂演化规律

采用INSTRON-1346型液压伺服控制试验机对含圆形、梯形、马蹄形和正方形4种孔洞的板样红砂岩进行单轴压缩试验,并借助数字图像相关技术观测和分析砂岩试样的变形和破裂演化过程,研究孔洞形状对岩石力学特性和断裂损伤演化规律的影响。研究结果表明:岩石抗压强度和弹性模量随着孔洞形状的不同而有不同程度的弱化,且梯形孔洞劣化作用最明显;含不同孔洞形状砂岩的破坏模式整体呈对角剪切破坏,但局部破坏存在一定差异;含孔洞岩样在单轴压缩条件下的变形损伤和演化过程均经历微孔隙压密与拉伸裂纹萌生阶段、拉伸裂纹稳定扩展阶段、次生裂纹萌生阶段、次生裂纹快速扩展阶段、远场裂纹萌生与繁衍阶段以及宏观剪切形成与破坏阶段这6个阶段;拉伸裂纹在加载全过程中经历"张开—闭合—重新张开"的过程;孔洞周围次生裂纹的起裂大多为张拉和剪切破坏共同作用的结果,其后剪切作用逐渐对裂纹的扩展起主导作用。     

三点弯曲下不同加载速率对层状岩体中裂纹扩展规律试验研究

为了研究不同加载下裂纹在含弱层理三层岩体中的扩展特征，开展了不同加载速率下预制裂纹且中间层是弱层理的三层混凝土梁三点弯曲试验，采用了数字图像相关技术(DIC),分析了加载过程中裂缝的产生、扩展和贯穿过程，得到了试验过程中裂纹扩展和水平应变云图的演化规律。结果表明：弱层理对层状岩体裂纹的扩展有阻碍作用，当随着加载速率的增加，总裂纹长度与顺层破裂裂纹也增加，因此弱层理的止裂效果与加载速率成正比的关系。此外，通过DIC分析得到的应变云图能够直观表征层状岩体断裂时应变演化及裂缝产生、扩展和贯通过程。     

奥氏体耐热不锈钢310S动态拉伸变形行为研究

采用扫描电子显微镜(SEM)静载动态拉伸原位观察方法研究了310S奥氏体耐热不锈钢常温动态拉伸过程中裂纹的萌生、扩展及断裂过程.结果表明:裂纹源容易在夹杂物、基体界面以及应力集中部位形成.随着拉伸变形进行,不同位置形成的微裂纹中,处于与拉伸应力方向相同或相近的有利位相的微裂纹不断亚稳扩展,最后与周围微裂纹连接形成主裂纹.当主裂纹扩展到一定程度达到或超出临界裂纹尺寸后,试样裂纹发生全面失稳扩展而试样迅速断裂.     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

纳观尺度下不同晶向取向对裂纹萌生和扩展的影响

【目的】了解裂纹的生长特征和扩展规律,揭示纳米级裂纹扩展机理及其对材料断裂的影响。【方法】采用晶体相场法研究不同初始晶向倾角在y方向单轴拉伸作用下裂纹扩展演化、对应的应力分布及其应力曲线。【结果】当拉应变作用达到临界值时,无预应变的样品裂口开裂方式不同。5°与20°晶向倾角的样品裂口直接开裂,并伴随着位错出现。10°与15°晶向倾角的样品裂口先发射位错,裂口准备开裂。裂纹形成后,5°与20°晶向倾角的样品裂纹主要呈脆性断裂模式扩展。10°与15°晶向倾角的样品为典型的韧性断裂模式扩展。【结论】不同晶向倾角对裂纹萌生时间、扩展方向以及韧-脆扩展形式有重要影响。     

全层状TiAl基合金断裂过程的进一步研究

通过对层状TiAl基合金进行拉伸卸载试验及拉伸试验，同时通过断口分析，研究了全层状TiAl基合金平板拉伸试验的断裂过程．结合宏观试验结果与断口分析发现，随着预损伤程度的增加，裂纹面密度增大；平板拉伸直接断裂试样的断裂过程与拉伸一卸载后拉断试样的断裂过程一致，单位面积断裂功基本不变．这说明预损伤并不影响这种材料的断裂过程和最终的断裂性能．     

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．     

全层TiAl合金架桥韧带的作用研究

通过对直缺口近全层组织的扫描电镜原位拉伸实验以及相应的断裂表面观察,研究了全层铸状TiAl基合金组织两个团厚度拉伸试样的拉伸断裂机理.研究结果表明:新裂纹形核过程中架桥韧带的形成过程实质上降低了裂纹扩展抗力;在架桥韧带撕裂瞬间出现外加应力的增加,实际上是由于裂纹从一沿层开裂向穿层开裂过渡的结果.许多裂纹是表面裂纹,所以显微裂纹屏蔽的作用并不明显.     

冷轧对铸轧钛铝复合板界面组织与性能的影响

采用铸轧法制备钛铝复合板并对其进行冷轧处理,使用万能试验机对不同变形量的复合板进行力学性能检测,用显微硬度计测量界面层附近的显微硬度,通过光学显微镜及扫描电子显微镜观察其界面结合情况、微观组织及拉伸断口形貌。研究结果表明:随着压下率的增加,界面层两侧的硬度逐渐增大。当压下率为23%时,复合板的抗拉强度从铸轧态的172 MPa增加到215 MPa,延伸率从34%下降到16%,界面层仅有少量裂纹。随着压下率的增加,抗拉强度缓慢增加,界面处裂纹的长度和宽度迅速增加,界面层迅速减薄。当压下率达到53%时,界面层破损严重,钛铝两种金属的主要结合方式由冶金结合变为机械啮合。     

拉伸载荷下镍基粉末高温合金中夹杂物行为

采用扫描电镜原位拉伸方法,跟踪观察了人工植入A12O3夹杂物的镍基粉末高温合金P/MRene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程.结果表明,在单轴拉伸载荷下,裂纹首先萌生于脆性非金属夹杂物A12O3处,大于一定尺寸的夹杂物,还会使该裂纹扩展成为导致合金断裂的主裂纹,从而大大降低合金的屈服强度及断裂强度.     

基于X射线CT原位试验的平纹SiC/SiC复合材料拉伸损伤演化

采用化学气相渗透工艺制备平纹SiC/SiC复合材料,利用X射线CT无损检测技术研究纺织陶瓷基复合材料拉伸损伤演化与失效机理.制备了第3代SiC纤维增韧平纹叠层SiC/SiC狗骨状试件.研制了CT原位拉伸测试仪,完成了纳米X射线CT原位拉伸试验,对CT扫描三维重建图像和扫描电镜照片进行了分析.结果表明:纳米X射线CT原位试验能够揭示材料拉伸损伤演化过程.平纹SiC/SiC复合材料单轴拉伸应力-应变曲线呈现明显的非线性特征,损伤萌生于非线性变化阶段.首先,出现基体横向开裂,并随着拉力的增加逐渐扩展.其次,出现层间基体开裂和纤维束基体纵向开裂,并逐渐扩展至纤维束宽度.最后,拉伸方向纤维断裂,材料失效,大多基体横向裂纹闭合,但纵向纤维束与束间基体分离严重,断口参差不齐,有明显的纤维拔出现象.     

凝汽器钛管断裂性质分析

某电厂凝汽器钛管发生断裂,使用光学显微镜、扫描电子显微镜电镜等手段对断口形貌和微观组织进行观察。经对断裂钛管的检验分析,钛管断口微观上可见明显的疲劳辉纹,表明钛管的断裂性质为疲劳断裂。在断口处的外表面存在较为严重的碰磨痕迹,而钛管本身壁厚较薄,在碰磨处易产生应力集中,导致裂纹萌生。凝汽器运行过程中,在变工况蒸汽冲击振动作用下,裂纹发生疲劳扩展,最终导致断裂失效。     

高强度螺栓的静拉伸断裂分析

本文用20Mn_2TiB、16CrMnB和40Cr钢制成的M24的10.9和12.9级高强度螺栓,进行静拉伸试验、偏斜角度为0°、5°和10°,测定其螺纹断裂强度和断面收缩率;对静拉伸载荷下的断裂过程、方式和特征进行宏观和微观观测分析。根据这些试验结果讨论了高强度螺栓是否要淬透问题,对ISO898/1—1978关于高强度螺栓的淬透性要求提出了商榷意见,并讨论了低碳马氏体高强度螺栓的优越性。试验结果表明:高强度螺栓断裂时,主裂纹往往在螺母下1～3扣萌生,而且裂纹沅一般是从牙沟亚表面萌生,向中心扩展的,剪切唇和稳定扩展区的总厚度一般小于螺纹内径的1/2。所以,在保证静强度满足设计要求前提下,只要获得一定层深全马氏体层,螺纹即具备良好的抗裂纹萌生和稳定扩展的能力,不必追求螺栓截面基本淬透。