“鲁灰”花岗岩热破裂的细观结构及规律

岩石的组分和细观结构决定其宏观力学性质.通过显微光度计对"鲁灰"花岗岩的矿物组分及微结构,及其在不同温度下的热破裂行为进行观测.试验中发现:"鲁灰"花岗岩为多种组分所构成,非均质性明显;温度作用下,花岗岩内部晶体颗粒之间胶结物的变化,晶粒内部产生的位错及微破裂,导致花岗岩产生热损伤破裂行为.通过对花岗岩的微裂纹发展变化进行定量分析得知:温度作用下微裂纹、内部微结构的发展变化具有规律性.花岗岩的微裂纹数量在80℃出现微幅变化;当温度升高到240～260℃时,"鲁灰"花岗岩的裂纹数量出现剧烈增长;确定了花岗岩破裂行为的阈值.     

加温过程中缺陷花岗岩的耦合损伤

为了能够正确评价温度作用下缺陷花岗岩的损伤机理,应用热力学、Maxwell应力理论,建立关于集中应力的非线性齐次微分方程,求解出花岗岩缺陷内部集中应力的表达式。采用应变等效原理,把缺陷花岗岩的受热状态分解成两种状态,即宏观缺陷的花岗岩受热状态和随机微观缺陷的花岗岩受热状态。全面分析了宏观裂纹花岗岩的受热过程中的损伤。细致研究内部微观随机性缺陷在受热作用下的损伤的耦合。推导了考虑宏、细观缺陷耦合的花岗岩复合损伤模量的计算公式。该理论推导公式可以为地热开发提供参考。     

基于动荷载作用花岗岩破碎碎块的分形特征与能量的相关性

利用直径50 mm的霍普金森试验装置,研究花岗岩试件冲击破碎碎块的分形特征和耗散能量的关系.结果表明破碎花岗岩每单位体积所需要的能量和岩块尺寸、特征尺寸、均匀性系数、块度分形维数等有较大的相关性,比耗散能量和块度分形维数的关系更接近于自相似的特征;扫描电镜图像和耗散能量与碎块表面的分形维数的关系,显示了较低的耗散能量使花岗岩内部微裂纹沿晶破坏成碎块,较高的耗散能使花岗岩内部的微裂纹既有沿晶破坏又有穿晶破坏,且碎块表面的分形维数反映了碎块表面的破坏程度.     

不同含水率断层宏微观破裂与强度折减损伤

为探究深部地区断层花岗岩不同含水率下宏观与微观跨尺度性质研究,对不同含水率花岗岩开展轴压力学试验和扫描电镜SEM试验,探讨含水花岗岩多尺度破裂机制与强度折减损伤关系。研究结果表明：无水状态下花岗岩宏观以剪切破坏为主且破裂面较为平滑,随含水率提高宏观以张拉破坏为主,裂纹路径与主应力方向平行且受载后岩样较为松散;低含水率工况微观整体破裂以沿晶破裂为主,高含水率工况微观破裂结构为沿晶破裂和穿晶破裂的复合型破坏为主;吸水中期峰值强度和弹性模量两指标衰减率约为前期6倍,两指标达到衰减期阈值最大限并呈非线性指数下降,吸水后期两指标衰减率回弹至前期状态;劣化系数随含水率增长而降低,吸水前期水分子起润滑岩石内部矿物作用,中后期阶段水分子发生侵蚀导致强度大幅度折减,生成有较多孔洞分布的微观结构形貌和晶体颜色偏白的伊利石,后期的水分子为进一步软化侵蚀作用。     

基于颗粒流模型微波辅助破岩过程数值模拟

微波辅助破岩是一种新型的破岩技术,通过微波加热预先在岩石内部产生微裂纹,然后联合其它破岩手段,可以有效提高破岩效率。以吸波的方铅矿和透波的方解石组成的岩石颗粒为研究对象,采用颗粒流程序建立了细观数值模型,对微波照射下的岩石颗粒细观物理力学应进行了模拟分析,揭示了不同微波照射条件下岩石内部温度分布与演化以及微裂纹的产生与发展的规律。研究结果表明:微波照射下,方铅矿温度明显高于方解石,岩石温度呈不均匀分布,不同矿物之间存在温差;微波照射可以使岩石在时间很短及温度较低的情况下产生微裂纹;微裂纹主要由方铅矿的热膨胀引起,微裂纹以拉伸裂纹为主,极少部分为剪切裂纹。岩石内部微裂纹的分布形态主要取决于方铅矿在岩石中的分布;微波照射时,裂纹首先产生于方铅矿周围,继而向周边的方解石内扩展,相互连通后导致岩石破裂;在消耗能量相同的情况下,微波功率越高,需要微波照射时间越短,岩石内部温差越大,产生的裂纹数量越多,破岩的效率更高。     

高温及冷却方式对花岗岩的影响规律分析

实际干热岩开采时储层花岗岩会经历高温-水冷冲击耦合过程。将花岗岩加热并分别进行室温冷却及水冷处理,并进行超声波测试、单轴抗压、XRD、电镜扫描等试验来探究高温及冷却方式对花岗岩损伤特征的影响。发现高温导致花岗岩体积增大、质量降低、纵波波速降低、弹性模量降低、抗压强度减弱等,500℃-700℃下花岗岩的物理力学性质劣化迅速;微观上高温导致微裂缝的生成,水冷处理促进微裂缝的开裂和传播;宏观上水冷花岗岩的物理力学性能始终较低且塑性及延展性特征明显较高。     

GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制

空气环境对高温合金在高温下的损伤行为有显著影响.为了研究标准热处理态GH4169合金在高温疲劳裂纹扩展过程中的微观损伤机制,在空气环境中进行650℃、初始应力强度因子幅ΔK=30MPa·m1/2和应力比R=0.05的低周疲劳裂纹扩展试验.使用扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)对试样的断口、外表面和剖面进行观察和分析.实验结果表明:疲劳主裂纹以沿晶方式萌生并扩展,随后沿晶二次裂纹出现,并且其数量和长度沿主裂纹方向逐渐增加,进入快速扩展阶段后,断口呈现韧窝组织形貌;在裂纹扩展过程中,δ相与基体的界面发生氧化,使得沿晶二次裂纹沿界面扩展并产生偏折,从而起到阻碍二次裂纹扩展的作用;试样外表面的主裂纹周围出现晶界氧化损伤区,其尺寸和晶界开裂程度沿主裂纹扩展方向逐渐增大.     

液氮冷却作用下三类高温岩石力学性能试验研究

为了研究液氮冷却对高温岩石物理力学性能的影响，对不同温度下(25~350℃)的花岗岩、片麻岩和砂岩试样进行液氮冷却处理，开展了一系列的物理力学试验研究，结合微观观察结果分析了各类岩石的损伤机理.结果表明，提高加热温度能够加剧液氮对岩石内部结构的损伤，随温度的升高，岩石的孔隙率、峰值应变逐渐增大，而纵波波速、抗压强度和弹性模量则相反.高温和液氮冷却所产生的热应力导致岩石内部裂纹的萌生和扩展，且微裂纹主要沿石英矿物边界发育.随着加热温度的升高，微裂纹的数量呈逐渐增加的趋势，这是岩石宏观特性退化的主要原因.三类岩石对加热和液氮冷却处理的敏感度不同，这与岩石在成岩作用、矿物成分、胶结类型以及孔隙结构方面的差异有关.     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型

基于连续损伤力学理论、统计细观理论和Perzyna黏塑性本构方程, 构造了一个塑性与损伤相耦合的本构模型来描述混凝土材料在强冲击载荷作用下的应力-应变响应特性. 在该模型中假设: 1) 宏观上混凝土材料是一个均匀连续体, 而从细观分析其内部则包含了大量随机分布的微裂纹和微空洞等损伤缺陷; 2) 混凝土材料的损伤演化是由其内部拉伸应力作用下微裂纹扩展的累积而引起的, 导致了材料强度和刚度的弱化; 3) 随着微空洞的塌陷, 混凝土材料内部产生了不可恢复的塑性变形, 体积模量也相应增加, 将这一过程看作是微空洞损伤的演化发展; 4) 微裂纹和微空洞损伤之间不发生相互作用; 5) 当裂纹扩展累积到一定程度时, 混凝土材料发生粉碎性破坏. 利用实验结果确定模型所需参数, 并将利用该模型得到的模拟曲线与实验测试曲线进行比较, 结果表明两者较一致.     

沉积温度对磁控溅射镀钌薄膜微观结构和附着力的影响

采用中频磁控溅射技术在钼圆片表面镀覆钌薄膜,通过X射线衍射仪、扫描电镜、平整度仪、宏观浸蚀试验和百格测试等对镀层进行表征和检测,研究不同沉积温度对薄膜微观结构和附着力的影响。结果表明,随着沉积温度由室温升至200℃,钌薄膜的表面平整性和致密性逐步改善,附着力得以提高;200℃沉积薄膜的膜/基结合力最大,其微观结构、致密性等也均达到最优;但当沉积温度进一步提高到300℃时,钌薄膜的表面起伏反而增大,附着力有所下降。     

时效态Mg-10Gd-3Y-0.6Zr合金的拉伸断裂行为

研究了时效显微组织对Mg-10Gd-3Y-0.6Zr合金断裂行为的影响.结果表明:473K低温时效时,析出相小而密,由晶界析出相(GBP)引发的微裂纹在晶界处产生并沿晶内的择优取向扩展;温度达到523K时,GBP长大,应力集中仅在某些大尺寸GBP处出现,并引发GBP与基体分离,而产生微孔,微孔的聚集与长大导致了合金的断裂.微裂纹沿着孪晶与基体的界面扩展,在断口形成平滑刻面,而GBP的存在会加剧这一趋势.时效温度升高后,孪晶与GBP数量减少,滑移变形加剧,导致平滑刻面数量减少.     

氧化锆对刚玉-莫来石复相材料显微结构的影响

通过扫描电镜、光学显微镜、X射线衍射仪和能谱探针研究了单斜晶型氧化锆对刚玉-莫来石复相材料显微结构的影响.结果表明:当氧化锆质量分数＜25%时,氧化锆对刚玉-莫来石基体骨架有充实作用;氧化锆质量分数增加到35%左右时,基体骨架被氧化锆晶粒瓦解,处于一种过渡态;氧化锆质量分数超过40%后,氧化锆晶粒会堆集成串珠链状,并与基体主晶相共同交织成一种新的结构骨架,但新骨架仍较松散.氧化锆晶体的马氏体相变导致了刚玉-莫来石复相材料产生微裂纹,裂纹密度与氧化锆加入量有并增趋势.     

高温破碎烧结磁体制取各向异性NdFeB磁粉(Ⅱ)

在较高温度下对烧结NdFeB磁体进行机械破碎制取了磁粉．实验结果表明：当破碎温度升高到合金的三元共晶温度附近时，所得磁粉的矫顽力显著高于室温破碎磁粉的矫顽力．高温破碎磁粉矫顽力的升高与磁体破碎时由低温下穿晶断裂向高温下沿晶断裂的转变直接相关．原因在于高温破碎磁粉中，表层穿晶裂纹数量减少，表面较均匀地被富Nd相包覆，以及颗粒中尖锐棱角部位明显减少．高温破碎磁粉的矫顽力经过适当热处理还能进一步提高．     

活性粉末混凝土高温后超声研究及微观分析

为研究超声波法对活性粉末混凝土(RPC)高温后性能评价的普适性,进行100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃的高温试验,对比分析了相对波速、损伤度、相对主频和相对幅值4个参数与受热温度、抗压强度损失率的关系,并利用扫描电镜(SEM)研究了不同高温后RPC的微观结构变化.结果表明:对于活性粉末混凝土,采用损伤度和相对波速评价其高温后性能相关性较好,其中,拟合值与试验值相关性最好的是损伤度,能较准确地反映RPC的受损程度;而相对主频和相对幅值,其拟合值与实验值的相关性最小,评价结果差别较大;随着温度的升高,RPC内部缺陷开始增多,基体与纤维界面出现裂纹,微观结构不断恶化,抗压强度损失率增大.     

微裂纹愈合过程的分子动力学模拟

对铝单晶中心贯穿微裂纹的愈合过程进行了分子动力学模拟.结果表明,当加热温度超过临界温度,或外加压应力K1超过临界值时微裂纹将完全愈合.在裂纹愈合过程中伴随着位错的产生和运动,以及孪晶和空位的产生及变迁.裂纹愈合的临界温度和裂纹面的相对取向有关;沿滑移面的裂纹最容易愈合.如果晶内预先存在位错(预先塑性变形),则可使裂纹愈合的临界温度明显降低.裂纹愈合的能量关系为πσ2(1-v2)/E+TS/A≥2γ+γp*,其中σ为压应力,T为温度,S为熵,A为裂纹面积,γ为表面能,γp*为塑变功.     

考虑孪晶内二次滑移的镁单晶细观本构模型

基于晶体塑性理论,建立了一个考虑滑移、形变孪晶以及孪晶内二次滑移的镁单晶弹-黏塑性细观本构模型,并在有限元软件ABAQUS的用户子程序UMAT中数值实现.利用该模型对镁单晶的室温平面压缩试验进行了模拟,研究了不同加载取向下镁单晶变形机制的演化规律.结果表明:镁单晶的变形机制与取向密切相关,其力学行为表现出强烈的各向异性特征;拉伸孪晶在特定取向下能够提供沿晶粒c方向伸长的变形,并引起晶粒的重取向;在某些变形状态下,当拉伸孪晶达到饱和体积分数后,孪晶内会出现二次滑移.     

锗酸盐微晶玻璃的显微结构与红外透过性能

用传统熔体冷却法制备含成核剂的CaO-BaO-Y2O3-Al2O3-SiO2-GeO2玻璃,并采用两步法工艺获得不同热处理条件下的微晶玻璃.采用DSC,XRD和SEM等分析测试方法研究不同热处理制度对锗酸盐微晶玻璃的析晶行为、显微结构以及红外透过性能的影响.研究结果表明:当晶化温度为930～1 010℃时,可以获得半透明的锗酸盐微晶玻璃,其单个晶粒粒径为40～100 nm;当晶化温度低于990℃时,锗酸盐微晶玻璃具有良好的光学透过性能,其透过波段为可见光区至5.0μm附近的中红外光区,透过率可达80％以上；影响微晶玻璃光学透明性的因素除了微晶体的粒径、晶体含量以及微晶体折射率与母体玻璃折射率之差外,微晶体的团聚可能也是决定微晶玻璃光学透过性的重要因素.     

一种[011]取向镍基单晶合金的蠕变断裂

研究了[011]取向的镍基单晶高温合金在750~980℃温度范围和200~680 MPa应力下的蠕变断裂特征。在扫描电镜上对各种实验状态下的蠕变断口和纵向剖面进行了详细观察。研究发现：在低温750℃和中温870℃不同初始蠕变应力条件下,枝晶间区亚晶界处不规则γ＇/γ界面是裂纹主要萌生场所,这些已萌生的裂纹在与外加应力轴垂直的(011)面上沿＜110＞和＜100＞两个方向扩展;980℃不同初始应力条件下,裂纹主要在合金中显微疏松孔洞处萌生,沿与外应力轴垂直的方向扩展。观察750℃和870℃不同应力状态蠕变试样的纵向剖面,对亚晶界区不规则γ＇相面积分数的测量和计算表明,用面积分数表征该合金[011]取向在中低温状态下的蠕变损伤程度是可行的。     

TC17合金电子束焊接接头高周疲劳失效行为研究

电子束焊接构件广泛应用于航空发动机关键部位,其需要满足长寿命与高可靠性的设计要求.针对TC17合金电子束焊接接头,采用旋转弯曲疲劳试验方法,获得焊接接头的高周疲劳性能,同时利用电子扫描电镜对疲劳断口进行微观观察,探明焊接接头的高周疲劳裂纹萌生和扩展机理.结果表明,TC17合金电子束焊接接头在10~7周次的疲劳强度为450 MPa,约为母材强度的81%,试样失效位置均位于焊缝区;试样表面最大应力与内部气孔缺陷处应力集中形成竞争机制,在10~5～10~7周次内,裂纹萌生于内部气孔,在10~7周次后,裂纹萌生于试件表面;试样断口显示出明显的穿晶断裂区和沿晶断裂区,疲劳寿命随沿晶断裂区的应力强度因子下降而增加;气孔面积及真实应力为影响疲劳寿命的主要因素,气孔处应力强度因子与疲劳寿命呈线性下降关系.     

热损伤花岗岩三轴压缩蠕变破坏声发射及损伤演化特征

为探究深部高温高压环境对工程围岩蠕变性质的影响,开展了不同程度热损伤花岗岩的三轴分级蠕变加载试验,分析其声发射活动及损伤演化特征。研究结果表明：在分级蠕变加载中,当轴向应力达到1.50～1.65倍损伤应力σ_cd后,花岗岩损伤演化加快,达到(1.65～1.80)σ_cd后,发生加速蠕变破坏;在同一级加载中,随热处理温度升高,声发射活动在减速蠕变和稳态蠕变阶段减弱,在加速蠕变阶段增强;围压效应可以减弱热损伤对花岗岩蠕变特性的影响,围压与热损伤的耦合效应可以抑制蠕变过程的裂纹扩展,但当轴向应力增大、岩石失稳后热损伤对蠕变破坏加剧起控制作用;在分级加载过程中,随热处理温度升高,损伤变量的增长趋势先减缓后加快,600℃热处理试样损伤发展最快,常温试样次之,150℃和300℃热处理试样最慢;蠕变过程中剪切裂纹占比在35%～60%,随分级加载应力增大,微裂纹类型向剪切型转化;热损伤花岗岩矿物晶粒内和晶界裂纹有不同程度的发育,导致剪切裂纹占比随热处理温度升高而先减小后增大。