固体断裂非平衡统计理论

固体断裂非平衡统计理论或叫非平衡统计断裂力学是用非平衡统计理论的概念和方法结合微裂纹(或微空洞)演化动力学从微观原子机理出发推导出固体材料的强度、断裂韧性和疲劳寿命等宏观力学量的断裂理论, 在这个理论中,微裂纹统计演化方程起着从微观向宏观过渡的核心作用,它的系数可由微裂纹成核长大的微观位错或点缺陷等机理求得,而其解则通过最弱链模型等与宏观力学量相联系,从而可统一推导出微裂纹分布函数、材料的断裂几率、可靠性、各种宏观力学量的统计分布函数、统计平均值和统计涨落,本理论可广泛用于金属、结构陶瓷和玻璃态高聚物的脆性、疲劳、延时和环境等断裂类型．主要阐述了上述思想和方法,并给出了部分新结果,展望了未来发展方向。     

陶瓷—金属界面的垂直微裂纹问题

本文把陶瓷—金属界面看做是在陶瓷基体中包含的圆柱形金属夹杂，在夹杂半径趋近无穷大时的极限情形．采用位错连续分布理论，给出了平面应变条件下圆形夹杂两侧的半裂纹的位错密度函数及应力强度因子的解析表达式．让圆形夹杂的半径趋向无穷大，便可得到陶瓷—金属界面的垂直微裂纹的有关结果．根据所得结果，分析了陶瓷和金属材料的弹性模量及热膨胀系数的差异对于其焊接界面微开裂的影响．所得结论对于陶瓷—金属的焊接工艺有指导意义．     

金属热疲劳的非平衡统计理论研究

从微观机理出发探讨金属热疲劳的宏观统计性质,利用疲劳断裂非平衡统计理论,由Raj和Baik的混合模型,从微观机理与宏观特性相结合的角度对热疲劳进行分析研究,得到迁移长大速度,涨落长大系数,热疲劳微裂纹的统计分布和统计平均值,热疲劳断裂概率及可靠性等,届时对结果进行了讨论,结果表明热疲劳微裂纹分布函数,断裂概率,可靠性等与温度的关系。     

Ti6Al4V钛合金脉冲激光抛光微裂纹产生机理与尺寸特征研究

为研究脉冲激光抛光过程中微裂纹产生机理及抛光主要参数对微裂纹尺寸特征的影响规律,建立了脉冲激光抛光温度场与应力场的有限元计算模型。在有限元模型建立过程中,采用温度场与应力场的顺序耦合方式,考虑了相变潜热和随温度显著变化的材料参数,得到了温度场与应力场在时间上和空间上的变化规律。通过温度场、应力场以及Ti6Al4V钛合金的凝固过程分析,揭示了Ti6Al4V钛合金激光抛光过程中微裂纹产生机理与尺寸特征规律。通过脉冲激光抛光实验验证有限元计算模型的有效性,结果表明:Ti6Al4V钛合金激光抛光微裂纹产生于Ti6Al4V钛合金的凝固时刻,微裂纹的宽度决定于Ti6Al4V钛合金凝固时刻热应力引起的塑性变形,微裂纹的深度决定于Ti6Al4V钛合金激光抛光熔池深度;激光功率是微裂纹尺寸特征的主要影响因素,激光功率增大时微裂纹宽度及深度均显著增大;在脉冲激光抛光中可通过外加预热的方式减缓熔融态金属的冷却速度,以减小抛光后的表面裂纹,有效减小微裂纹尺寸特征。     

合成温度和原料粒度对钛酸铝性能的影响

研究了合成温度和原料粒度对钛酸铝性能的影响．结果表明．钛酸铝材料的临界晶粒尺寸和材料内部所合成的晶粒尺寸大小对微裂纹的产生关系重大．控制微裂纹的多少与大小可改善其热膨胀和机械特性．降低合成温度和原料粒度可使合成的钛酸铝材料内部裂纹少而且小．故其强度提高．但其热膨胀系数有所增大．     

混凝土拉伸损伤演变的细观力学研究

根据能量耗散等价假设对二维平面应力问题，建立了单轴拉伸与双轴拉伸情况下混凝土宏观损伤变量与细观损伤参数(微裂纹密度)的关系．在双轴拉伸情况下，材料破坏时微裂纹密度为一定值，与σ1和σ2的变化无关；但破坏时的宏观损伤值随横向拉应力的增大而增大。     

金属梯度材料应力强度因子研究

在金属梯度材料的制备与使用过程中,难免在内部会产生大量的微裂纹.这些微裂纹会逐步扩展演变成更大的裂纹,从而严重影响到整个构件的性能.因此研究金属梯度材料的断裂问题对材料的安全使用,优化设计和结构分析有着重大的实际意义.采用了有限元模拟结合交互式积分的方法分别计算得到了含有边缘裂纹及按任意角度变化的中心裂纹的金属梯度板的应力强度因子,并讨论了参数对其应力强度因子的影响规律,展望了其未来的发展.     

疲劳断裂的微观机理和非平衡统计特性(Ⅱ)

本文给出了微裂纹的随机演化方程,结合位错机理解得了微裂纹密度的分布函数,求出了疲劳断裂几率和可靠性,进而导出了σ_a——N曲线、疲劳寿命的统计分布和统计平均值。     

玻璃布增强PC复合材料分层裂纹的扩展行为

利用光学显微镜原位研究在Ⅰ型动态加载下玻璃布增强ＰＣ复合材料层板的分层断裂过程及其微观机理．结果表明，分层损伤微裂纹易萌生在平行于裂纹扩展方向的纱线束和交织面内．在层板边缘，主裂纹可沿经纱的方向穿过经纱和纬纱的交织面向前扩展，造成织物分隔．随裂纹张开位移的增大，纬纱才回到原织物平面内．     

铝冷轧加工表面的微裂纹分析

微乳液润滑的铝冷轧过程中常会在铝合金表面出现与轧制方向垂直的规则微裂纹.规则裂纹的产生是由于新生金属表层氧化膜与体相金属具有不同的拉伸性能.考虑氧化膜拉伸强度极限与其厚度、体相材料的屈服极限及边界润滑的摩擦系数等因素,建立了理论模型,预测微裂纹分布间隔.通过对两种不同轧机冷轧加工后的铝合金表面分析,验证了分析模型的正确性,研究结果将对铝冷轧特性的分析起到促进作用.     

岩石细观断裂过程的分叉与混沌特征

根据岩石在单向压缩应力状态下细观断裂过程吸微裂纹演化的试验研究结果,对各级应力状态下岩石的微裂纹数目和方向进行了统计分析,并在此基础上建立了描述微裂纹生长和演化的数学模型,采用现代非线性科学的分叉和混沌理论对岩石细观断裂过程和微裂纹演化过程的分叉与混沌进行进行了研究,其结果表明：当表征砂岩微裂纹存在活比和闭合效应的特征量取一定值时,其微裂纹的演化可用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ方程来描述,因而具有分叉与混沌特     

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.     

基于损伤理论的硬脆性泥页岩井壁稳定分析

硬脆性泥页岩地层的失稳破坏机理是非常规油气开发工作者的重点研究对象之一。从硬脆性泥页岩微裂缝的角度出发,将微裂缝视为硬脆性泥页岩的损伤,通过随机函数确定微裂缝的分布,将损伤力学和断裂力学相结合建立了硬脆性泥页岩的损伤本构模型。利用FLAC3D软件将硬脆性泥页岩的损伤破坏模型应用到井壁稳定分析中,并通过计算结果分析了钻井液、微裂缝形态等在硬脆性泥页岩破坏中占有的比重。计算结果显示,硬脆性泥页岩对钻井液的敏感度以及硬脆性泥页岩微裂缝的发育程度对井壁稳定影响最大,硬脆性泥页岩微裂缝的方向对井壁稳定影响很小。因此,钻井液的封堵性和密度是确保硬脆性泥页岩稳定的重要手段,控制钻井方向对维持硬脆性泥页岩稳定的作用有限。     

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．     

铸铁断裂机理原位拉伸研究

用SEM原位拉伸实验对不同缺口的灰铸铁试件的断裂过程做了详细研究和分析.研究结果表明,铸铁的断裂与钢的脆性解理断裂不同.铸铁试件的断裂过程与预缺口的形态有关;在载荷很小时产生微裂纹,随着载荷的增加,微裂纹扩展,微裂纹扩展的同时产生大量新的微裂纹,直至各裂纹连接使试件整体断裂.     

Microcracks in MDF Cement

The relationspip between the microcracks and the mechanical behaviors and the characteristics of fracture of MDF cement have been studied. The results show that most of the microcracks lie and propagate in the matrix or along the boundary of the clinkers. The microcracks improve the toughness of MDF cement. The Griffith's equation is invalid to describe the fracture of MDF cement.     

Three-dimensional brittle shear fracturing by tensile crack interaction

Faults in brittle rock are shear fractures formed through the interaction and coalescence of many tensile microcracks. The geometry of these microcracks and their surrounding elastic stress fields control the orientation of the final shear fracture surfaces. The classic Coulomb-Mohr failure criterion predicts the development of two conjugate (bimodal) shear planes that are inclined at an acute angle to the axis of maximum compressive stress. This criterion, however, is incapable of explaining the three-dimensional polymodal fault patterns that are widely observed in rocks. Here we show that the elastic stress around tensile microcracks in three dimensions promotes a mutual interaction that produces brittle shear planes oriented obliquely to the remote principal stresses, and can therefore account for observed polymodal fault patterns. Our microcrack interaction model is based on the three-dimensional solution of Eshelby, unlike previous models that employed two-dimensional approximations. Our model predicts that shear fractures formed by the coalescence of interacting mode I cracks will be inclined at a maximum of 26 degrees to the axes of remote maximum and intermediate compression. An improved understanding of brittle shear failure in three dimensions has important implications for earthquake seismology and rock-mass stability, as well as fluid migration in fractured rocks.     

基于双重介质嵌入式离散裂缝模型的致密油藏产能影响因素

致密油藏具有显著的超低孔超低渗特征,天然微裂缝和水力压裂缝对油藏有效动用至关重要,相关数值模拟研究工作备受关注。研究者们广泛采用嵌入式离散裂缝模型研究致密油藏流动规律,通过修改基质网格渗透率表征天然微裂缝,无法精细刻画微裂缝与基质间流体交换对流动产生的影响。为克服以上不足,考虑基质、复杂天然微裂缝和人工压裂缝间传质机理,建立了致密油藏双重介质嵌入式离散裂缝模型;进一步,对模型进行数值离散处理,编制了相应的模拟器;最后,基于所建立模型研究了天然微裂缝、水平段长度、裂缝间距等多因素对致密油藏产能影响规律。研究结果表明,本文所建立模型产能高于传统EDFM模型;水平段长度越长,产能越大;裂缝间距越小,产能越大;应力敏感对致密油藏生产动态有一定影响,并且随着时间推迟,影响逐渐增强;本文所建模型实现了对基质、复杂天然微裂缝和人工压裂缝间复杂传质机理的精细刻画,相关研究结论可为致密油藏经济高效开发提供借鉴。     

温度循环荷载下花岗岩微裂隙演化试验

花岗岩力学性能随环境温度的变化是岩石力学领域的热点问题,其微细观结构随温度的演化规律尚不清晰。本研究基于现代化测试技术和实验设备设计了等幅值温度循环和峰值递增温度循环荷载,关注其作用下花岗岩微裂隙的衍生和扩展规律,并讨论了风化程度的影响。研究结果表明峰值温度比循环次数对裂隙网络发展的影响更大,峰值递增的温度循环可促进表面裂隙的衍生,而风化在一定程度上可减弱温度荷载的影响。本研究可促进对温度作用下岩石力学性能演化的认知。     

45#钢的疲劳损伤过程研究

本文主要通过扫描电镜对 45 # 优质碳素钢的疲劳损伤过程进行断口及显微组织分析 ,研究了疲劳裂纹萌生的位置、形状、扩展过程和扩展途径 ,确定出了微裂纹开始形成时的循环次数。