薄膜裂尖区域的减薄过程和薄区内的应变

在透射电子显微镜下,首先观察了３１０不锈钢和纯铝的减薄方式：一是Ⅲ型裂纹的剪切方式,二是Ⅰ型裂纹的撕开方式。利用微衍射技术分别测量了韧性材料纯铝和脆性材料ＴｉＡｌ合金中裂尖区的平均应变。测量结果表明,裂尖前方的应变可高达０．０５以上。     

氢促进位错发射的分子动力学模拟

利用第一原理和陈氏三维晶格反演公式获得了Al和H的互作用对势 .分子动力学计算表明 ,当Al晶体中含H时 ,裂尖发射位错的临界应力强度因子从0 .1 1MPam降低为 0 .0 75MPam(CH=0 .72 % )和 0 .0 6MPam(CH=1 .44% ) ,即氢促进了位错的发射 .计算表明 ,氢在裂尖富集后能形成许多小气团 ,同时使平衡空位浓度升高     

氢促进位错发射和运动导致裂纹形核的研究

利用恒位移加载台，在ＴＥＭ中原位研究了油管钢在充氢和水介质中应力腐蚀前后裂尖位错组态的变化。结果表明，氢能促进位错发射、增殖和运动，并使无位错区扩大。用激光云纹干涉法原位测量了充氢前后加载缺口前端位移场的变化，结果表明，氢能使缺口前端塑性区及变形量增大。ＴＥＭ原位观察表明，当氢促进位错发射、运动达到临界条件时就引起纳米级氢致裂纹在无位错区中形核。探讨了氢促进位错发射、增殖和运动的原因以及氢致裂纹形     

钝化膜应力导致不锈钢应力腐蚀的研究

用恒位移加载台, 在透射电子显微镜(TEM)中原位观察应力腐蚀前后裂尖前方位错组态的变化以及微裂纹的形核和扩展. 结果表明, 310不锈钢在沸腾的25% MgCl²水溶液中应力腐蚀时腐蚀过程本身能促进位错发射、增殖和运动. 当腐蚀促进的位错发射和运动达到临界状态时, 应力腐蚀裂纹形核和扩展. 测量表明, 321不锈钢在沸腾MgCl²中自然腐蚀时表面钝化膜会产生一个附加拉应力, 它可能是腐蚀促进位错发射和运动的原因.     

钝裂纹发射位错后的应力分布及有效应力强度因子

获得了狭椭圆孔周围刃位错及其像位错应力场的解析解，在此基础上计算了Ⅰ型钝裂纹（椭圆型）在恒载荷下发射位错达到平衡后的应力分布及有效应力强度因子。结果表明，位错发射达到平衡后会形成无位错区（DFZ），除了钝裂纹顶端存在一个应力峰值外，在DFZ内存在第2个应力峰值；随着外加应力强度因子（KⅠa)或材料磨擦力τf的增大，DFZX的尺寸变小，裂尖应力峰值不断下降，而DFZ内的应力峰值以及裂尖有效应力强度因子KⅠf却不断增大，当KⅠa或τf较小时，裂尖应力峰最高；当KⅠa或τf较高时，ＤＦＺ内的应力峰最高，由于位错的屏蔽作用，屏蔽比ＫⅠa／ＫⅠf随ＫⅠa的升高而增大，但它随τf 的增大而下降。     

冲击接触加载下材料准纳米磨损机制研究

基于对高能冲击磨损曲线发生转折的研究,提出了一种准纳米磨损机制,该机制的基本特征是：准纳米磨损机制作用下的磨损速率仅为同能量下的剥层磨损机制速率的1/10～1/3;磨屑及表面磨损坑直径约为50～120nm的准纳米尺度.形成准纳米磨损机制的充要条件为：磨损最表面层在高能冲击下已演变成由纳米晶＋非晶组成的纳米结构;接触表面以下的亚表层的剥层磨损裂纹被抑制;磨损裂纹产生于纳米结构中的非晶区而不是纳米晶区.     

高速动车组S38C车轴疲劳强度及剩余寿命评价

本文通过实验获得S38C车轴的残余应力场、基本力学性能和断裂性能,采用表面单位压力法及二次迭代,在实物车轴中重建出径向梯度分布的压缩残余应力,基于实测载荷谱进行含缺陷S38C车轴的剩余寿命预测.分析结果表明:残余压应力对裂纹扩展有显著的抑制作用,深度小于4 mm的初始裂纹不扩展;经典Paris方程和NASGRO方程估算寿命分别约为28.5万公里和89.3万公里.当深度大于7 mm时,裂纹扩展速率迅速增大,因此,把7 mm作为S38C车轴损伤容限分析止裂判据比较合理.研究方法和结果对于含缺陷表面强化铁路车轴的疲劳强度及剩余寿命评价具有重要意义.     

H原子在Mg（0001）表面的吸附与扩散性能研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对H原子在清洁与空位缺陷Mg（0001）表面的吸附与扩散性能进行了研究.吸附能与扩散能垒的计算结果显示：H原子倾向吸附于清洁Mg（0001）表面的fcc与hcp位,其中fcc位的吸附更为有利;H原子在Mg（0001）表面扩散时,所需克服的最高扩散能垒为0.6784eV;表面结构影响H原子从Mg表面向体内扩散,表面到次表面扩散较慢,次表面至体内扩散却较快,表面结构的影响仅局限在Mg表面的顶两层;空位缺陷的存在,一方面增强了Mg（0001）表面对H原子的化学吸附能力,另一方面提供更多通道使H原子更容易实现向Mg体内进行扩散,且扩散至体内的H原子主要占据四面体的间隙位.电子态密度（DOS）的分析结果发现：相对于hcp位而言,H原子吸附于Mg（0001）表面fcc位体系,在费米能级处具有较低的电子密度N（EF）值,且在费米能级以下具有更多的成键电子数;而空位缺陷Mg（0001）表面H原子吸附能力的增强归因于空位的存在改变了Mg表面的电子结构,使表层Mg原子在低能级区的成键电子向费米能级处发生转移,从而提高了Mg表面的活性.     

在硅表面上的单原子操纵

室温条件下Si表面的单原子操纵在基础研究和微电子应用两方面都具有十分重要的意义。本文详细介绍了利用STM在Si(111)×7、Si（100）－2×1：H表面进行单原子操纵和加工原子级人工微结构的基本原理和技术方法。综述了近年来这一领域研究工作的最新进展，并探讨单原子操纵技术和激光选健技术相结合从而实现选键化学反应或“分子手术”的可能性和前景。     

钛注入钢中纳米钛铁相结构的抗腐蚀特性

透射电子显微镜观察表明 ,经过Ti注入的钢 ,在注入层中形成了直径为1 0～ 30nm的FeTi和FeTi2 相 ,其长度大约为 1 5 0～ 32 0nm .用扫描电子显微镜观察结果显示 ,表面形成了连续树枝状结构 .这种致密的结构具有很高的抗磨损特性和抗腐蚀特性 .电化学测量结果表明 ,随注入剂量的增加 ,腐蚀电流密度明显的下降 ,用 3× 1 0 18cm-2 剂量的Ti注入比未经注入的H1 3钢降低了 88%～ 95 % ,而用 6× 1 0 17cm-2 注入再经过 5 0 0℃退火 2 0min后 ,其腐蚀电流密度极大的下降 ,其值比未注入的样品腐蚀电流还小 98%～ 99% ,扫描电子显微镜观察表明 ,经过 40个周期电位扫描腐蚀后 ,表面未出现腐蚀坑 ,说明经过退火后 ,形成了具有优异抗腐蚀特性的改性层     

超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能理论研究

超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）无论在拉伸还是弯曲荷载作用下都表现出明显的应变硬化特征并且其极限拉伸应变稳定地达到3%以上,同时将传统水泥基材料在单轴抗拉荷载下单一裂纹的宏观开裂模式转化为多条细密裂纹的微观开裂模式,并且在极限荷载时其平均裂缝宽度仅为60μm.依据功能梯度这一概念,利用其优秀的裂缝控制能力,将普通钢筋混凝土梁的受拉区纵向钢筋周围部分混凝土替换为UHTCC,开展了超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁受弯性能的研究工作,先后完成了受弯理论分析、无腹筋复合长梁实验研究、试验研究与理论分析验证对比、裂缝控制分析等方面研究.结果表明,使用UHTCC控裂的功能梯度复合梁不仅承载力较普通钢筋混凝土梁有所提高,并且能够有效地防止钢筋锈蚀破坏的发生,从而提高结构的耐久性.对整个加载过程中复合梁的内力变化和裂缝开展进行了探讨,并按照弹性理论给出了正截面受弯各阶段内力分析、加载至破坏整个过程的弯矩-曲率关系的确定,以及跨中挠度、截面延性指标的计算,同时通过试验结果对理论公式进行了验证.     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

考虑压装和实测动应力的含缺陷空心车轴剩余寿命评估

实测获得时速385 km高速列车空心车轴的动应力后,基于线弹性断裂力学和塑性致裂纹闭合效应,采用20节点等参退化奇异单元逼近裂纹前缘,建立考虑车轮、齿轮与车轴的压装配合约束,分别在轴肩、轮-轴压装区、轮-齿过渡区或卸荷槽、齿-轴压装区和轴身等5个部位插入垂直于车轴中心线的半椭圆形裂纹,对含缺陷车轴进行损伤容限分析和剩余寿命评估.研究发现,对于深度为2 mm的单个半椭圆形表面裂纹,含缺陷轮-轴卸荷槽、轴肩、轮-轴压装区和齿-轴压装区的可运行总寿命分别约为7.9×10~4,58.7×10~4,372.5×10~4和823.9×10~4 km,由于轴身中部的裂纹尖端为典型的压缩应力状态,判定其不扩展.分析结果为我国更高速度级空心车轴安全设计与可靠服役提供了重要的理论依据和科学支撑.     

船用柴油机第一道活塞环岸积碳的微观形貌和孔隙特性的相衬显微CT研究

大型二冲程船用柴油机具有热负荷高、燃用重油、润滑油参与燃烧及其变质、颗粒物排放高等特点,直接或间接地导致其燃烧室内更为明显的积碳现象,同时积碳层的构成和特性会显著影响柴油机的输出动力性能和排放特性．采用我国第三代同步辐射装置一上海光源的x射线相衬显微CT技术,对第一道活塞环岸积碳样品进行了三维无损显微成像．通过定量数字图像处理,对积碳层的微观特性和孔隙分布特性进行了分析研究．结果表明,活塞环上部积碳厚度基本在1．0mm左右,仅为缸套和活塞间距的一半,但是其表面形态显示出与缸套强烈的摩擦磨损痕迹,这说明该部位的积碳会明显破坏缸套的滑油分布．同时积碳内外表面裂纹密集,而中部裂纹较疏松,积碳内外表面的裂纹形成机理存在显著差异．从孔隙连通性来看,几乎所有的裂缝都是相通的,计算得到的总的孔隙率在10．9％～12．8％之间．并且连通的裂纹中存在交汇的孔洞结构,这些孔隙结构可能对燃气产生吸附和解吸的作用．     

310不锈钢中氢致纳米空洞导致断裂的机理

对充氢的 31 0不锈钢薄膜进行TEM原位拉伸表明 ,当CH 较高时 ,氢致断裂通过纳米空洞形核 ,然后沿 {1 1 1 }面准解理扩展的方式进行 ;当CH 较低时 ,氢促进纳米空洞形核、长大和连通 ,进而导致韧断 .在此实验基础上 ,提出了一个新的模型 .该模型认为 ,位错挣脱缺陷气团的钉扎 ,并运动离开无位错区 (DFZ) ,结果沿 {1 1 1 }面产生许多空位团和氢原子簇 .氢趋于和空位团结合 ,导致纳米空洞沿 {1 1 1 }面形核 ,高密度纳米空洞来不及长大便互相连通 ,进而导致脆性扩展 ;而稀疏纳米空洞可以长大成微空洞甚至宏观空洞 ,最终导致韧性扩展 .     

基于改进型XFEM的裂纹分析并行软件实现

扩展有限元法(XFEM)目前已成为裂纹分析的主流数值方法.然而,在实际应用中该方法一直受到两方面的困扰:总体刚度矩阵高度病态以及动力学计算时额外自由度上的能量无法正确传递.前者导致在以迭代法求解为主的大规模计算中难以收敛,后者导致动力学求解精度低、实施困难.为解决这两大困扰,基于无额外自由度单位分解插值格式,提出改进型扩展有限元法(IXFEM).基于该方法,在高性能数值模拟软件开发框架JAUMIN上开发裂纹分析并行软件—PANDA_Fracture.实际算例表明, PANDA_Fracture软件具有如下特色:1)允许引入高精度裂尖加强,支持裂纹任意长度扩展; 2)同时支持动力学裂纹问题隐式求解与显式求解; 3)支持任意多裂纹问题高效求解; 4)支持上千CPU核高性能可扩展计算.     

GeO2纳米线的原位热氧化法制备与发光性质

以Au作催化剂通过金属锗与纯氧在600～800℃的氧化反应,在单质锗表面原位大面积生长出了GeO2纳米线．采用X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对产物进行了表征分析．结果表明,GeO2纳米线为六方相单晶结构,其直径在65～600nm范围内,长度达50gm．研究了反应温度和喷金时间对纳米线直径的影响,提出了可能的生长机理．实现了不同直径GeO2纳米线的可控合成．发现发光峰位于355nm强的紫外光发光和发光峰位于400nm和485nm弱的蓝光发光,这两种发光可能分别起源于GeO2纳米线中氧空位与间隙氧之间的跃迁和氧空位中的电子与锗．氧空穴中心的空穴复合．     

碱液刻蚀的多晶硅不同晶面微结构实验研究

多晶硅碱液刻蚀技术一直是多晶硅太阳能电池研究的关键性技术之一.在普通的碱刻蚀液中加入一种添加剂,在温度78~80°C之间刻蚀多晶硅表面20min,用SEM观察多晶体硅表面结构.在多晶硅表面上首次观察到了碱液刻蚀出的密集均匀分布的陷阱坑,只是样品不同晶面上的陷阱坑形貌稍有不同.[100]晶面上主要由纵横交错的致密的小硅山脉构成,小硅山脉之间存在长长的峡谷式的陷阱坑（沟）;[110]晶面上密布大量的畸变三角形陷阱坑或矩形坑（洞）;[111]晶面则分布蚯蚓状的陷阱坑.用积分反射仪测量了样品表面光反射率,在400~900nm波段平均反射率下降到20.5%.实验研究表明：添加剂能调节碱的刻蚀特性,经过添加剂调剂的碱液能在多晶硅表面刻蚀出具有良好陷光效应的绒面,添加剂调节的碱液刻蚀技术是一种有前途的多晶硅制绒技术.     

光伏电池微结构表面吸收率的温度依变性

光伏电池长时间处于太阳光照射下,自身温度随之升高,会造成电池材料的光学参数和热膨胀系数的变化,从而影响光伏电池微结构表面的吸收特性.本文从电磁场理论出发,借助时域有限差分方法(FDTD),通过对半球、圆柱、小球这三种典型光伏电池表面微结构的研究,分析温度对光伏电池表面吸收特性的影响,同时研究材料属性、结构周期对光伏电池表面吸收特性的影响.     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.