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。     

TiAl金属间化合物中解理裂纹的稳态扩展

一般来说,当稳定的解理裂纹形核后就将高速失稳扩展,直至断裂。从断裂力学角度看,当试样尺寸满足平面应变要求后,裂纹扩展超过2％阻力曲线就饱和,故一旦裂纹扩展超过这个临界点,裂纹就将失稳扩展而导致脆断。断裂韧性为     

PZT-5H导电缺口电致滞后开裂

研究了PZT-5H铁电陶瓷导电缺口发生电致滞后断裂的可能性及其规律. 结果表明, PZT-5H导电缺口发生电致断裂的临界电场E_F = 14.7±3.2 kV/cm. 如外加电场E<E_F, 则在导电缺口前端瞬时产生电致微裂纹, 若保持恒电场E, 电致裂纹将缓慢扩展直至试样发生滞后断裂, 滞后断裂的门槛电场E_DF = 9.9 kV/cm. 如EE_K= 4.9 kV/cm, 则电致裂纹并不瞬时形核, 只有在恒电场下经过一定的孕育期后电致裂纹才形核并扩展一定距离, 但试样也不会发生断裂. 如E<E_DF = 2.4 kV/cm, 即使长时间施加电场, 裂纹也不形核. 导电裂纹的滞后形核和滞后断裂归因于恒电场下从缺口顶端发出的电荷密度随时间而增大, 当外加电场小于电荷发射的门槛电场时不会发生电致裂纹的滞后形核.     

金属中氢鼓泡形核的机理

通过实验和理论分析研究了氢鼓泡形核、长大和开裂的过程. 在充氢试样中发现直径小于100 nm未开裂的孔洞, 它们是正在长大的氢鼓泡, 也发现已开裂的鼓泡以及裂纹多次扩展导致破裂的鼓泡.分析表明, 氢和空位复合能降低空位形成能, 从而使空位浓度大幅度升高, 这些带氢的过饱和空位很容易聚集成空位团.H在空位团形成的空腔中复合成H2就使空位团稳定, 成为氢鼓泡核.随着H和过饱和空位的不断进入, 鼓泡核不断长大, 内部氢压也不断升高.当氢压产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断开, 裂纹从鼓泡壁上形核.     

氢鼓泡的形核、长大和开裂

用显微镜原位观察了车轮钢中氢鼓泡的长大过程, 用块状非晶观察了氢鼓泡破裂后的局部断口形貌. 结果表明, 氢鼓泡形核、长大和开裂的过程如下: 氢使过饱和空位浓度急剧升高, 空位聚集成空位团后, 随着空位和氢的不断进入长大成氢鼓泡. 随氢压升高, 基体变形可使近表面鼓泡鼓出表面; 氢压进一步升高可使鼓泡开裂, 体积增大使氢压下降引起止裂; 随氢进入氢压进一步升高, 可使止裂裂纹重新扩展直至鼓泡破裂.     

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。     

含硅钢的初生贝氏体

1979年观察到钢中贝氏体中脊,认为它是贝氏体的二维切变核而引起重视。1986年Okamoto对中脊做了系统研究,明确地把贝氏体转变划分为形核和长大两个阶段。同年,陈树川等用内耗法证实贝氏体预相变是一个非扩散的形核过程。但至今尚未见报道初生贝氏体的直接观察结果。本文通过研究初生贝氏体,探讨了其形核机制,指出了贝氏体相变的切变特征。     

裂纹是以什么方式朝前扩展?

裂纹扩展过程的研究是断裂力学中一项非常重要的课题,因为它深刻地反映了材料破裂时的动力学过程。本实验在一台自制的超小型压力机上进行。样品选用载玻璃板(48×28×1mm~3)。玻璃板内预制一条平行于压力轴方向的小裂纹。裂纹的长度2_a_0≤5 mm。实验时,室内的平均温度为6—9℃,相对湿度为40—45％。样品受压后,在给定的初始压力P和缩短量u的作用下,裂纹开始稳态扩展,此后,不再对样品施加任何增载。用显微镜观察裂纹     

断层的亚临界扩展和地震的孕育过程

断层的亚临界扩展,在浅源构造地震的孕育过程中,起着重要的作用。本文用流变介质中的Ⅱ型受压闭合裂纹作为断层的力学模型,研究了在不同受力情况下的断层亚临界扩展过程,进而分析了断层活动规律与地震的关系。如文献[1]中所述,对于断层扩展问题,可选用平板边缘受均匀剪应力τ_0作用的Ⅱ型裂纹作为理论模型。裂纹坐标为y=0,|x|≤a。ξ为以裂纹端点为原点,指向-x方向的活动坐标。     

BiTiO3单品电致疲劳裂纹扩展的原子力显微镜研究

利用原子力显微镜（AFM）原位研究了BaTiO3单晶压痕裂纹电致疲劳的扩展过程，以及交变电场引起的畸变和疲劳裂纹扩展的相关性．结果表明、正负交变电场并不引是裂纹尖端电畴的交替变化。而是在裂纹周围发生随机转变．随着电场交变次数的增加，止裂裂纹重新起裂扩展。     

BiTiO3单晶电致疲劳裂纹扩展的原子力显微镜研究

利用原子力显微镜(AFM)原位研究了BaTiO₃单晶压痕裂纹电致疲劳的扩展过程, 以及交变电场引起的畴变和疲劳裂纹扩展的相关性. 结果表明, 正负交变电场并不引起裂纹尖端电畴的交替变化, 而是在裂纹周围发生随机转变, 随着电场交变次数的增加, 止裂裂纹重新起裂扩展.     

基于椭圆形微裂纹演化与汇合的准脆性材料本构模型

微裂纹演化与汇合是导致准脆性材料损伤及破坏的主要因素.采用复势函数法求解了受远场载荷作用下代表性单元中椭圆微裂纹的变形,讨论了椭圆微裂纹初始取向的变化对微裂纹尺寸增长和偏转角度的影响,并结合微裂纹扩展准则推导了损伤起始的临界应力.基于翼型裂纹扩展过程的能量守恒方程,建立了损伤阶段的本构关系.对裂纹汇合模式进行了讨论,建立了翼型裂纹汇合的几何模型,由翼型裂纹汇合的临界条件给出了断裂失效应变,最后给出了与细观结构演变过程相对应的本构模型,并应用该模型计算了岩石类材料单轴压缩下的应力应变曲线,与实验结果吻合良好.     

纤维增强复合板中裂纹的动态扩展

报道了环氧基玻璃纤维单向增强复合材料制成的带预制裂纹的平板在三点弯曲冲击载荷下的破坏实验. 实验中利用透射光路进行了高速摄影, 拍摄到裂纹扩展的全过程, 并观察到一种新的动态断裂现象. 在此基础上, 对裂纹扩展速度和路径以及破坏方式进行了初步分析和研究.     

氢致微裂纹形核的透射电镜原位观察

310稳定型奥氏体不锈钢在严重电解充氢后能产生氢致滞后断裂.当氢含量较高K_I较低时,断口形貌由原来的韧窝变为准解理.奥氏体不锈钢缺口试样在充氢时,缺口前端的塑性区及其变形量能随着充氢时间增长而不断增大,即氢促进了位错的增殖和运动,当这种氢致局部塑性变形发展到临界值时便引起氢致裂纹的形核.这表明,氢致脆性裂纹是以位错的增殖和运动为先决条件的,但细节并不清楚.本文将通过充氢薄膜试样在透射电镜(TEM)中进行原位拉伸,研究氢致裂纹形核和位错发射及运动之间的关系;并和不含氢试样的类似研究进行对比,以揭示两者间的本质区别.     

关于曲线动力扩展裂纹尖端场

由于工程实际的需要,弹性固体中复合型载荷作用下的裂纹动力扩展问题近年来受到了较大重视。在复合型载荷作用下,裂纹一般沿曲线路径扩展。Freund和Clifton首先分析了这一问题。他们证明了在以裂纹尖端为原点、以裂纹瞬时扩展方向为x轴的局部坐标系中,裂纹尖端主奇异场的结构和直线扩展裂纹是相同的。Achenbach和Baant亦得到了相同的结果。鉴于裂纹尖端高阶渐近解对曲裂准则有较大影响,Nishioka和Atluri给出了直     

Ⅰ积分和弹塑性断裂准则

1951年在位错理论的研究中Eshelby提出了积分形式的能量动量张量的概念。1968年Rice在研究裂纹顶端的弹塑性应力场的过程中,引入了与能量动量张量静分量形式相同的J积分。Rice论证了J积分的路径无关性;确立了J积分与形变功率之间的关系。由于J积分是裂纹顶端应力场的平均度量,它可以由实验直接测定。因此,七十年代以来,J积分作为     

应力腐蚀促进局部塑性变形的原子力显微镜研究

用金相显微镜和 原子力显微镜原位观察了抛光的黄铜恒位移试样在氨水中应力腐蚀时表面滑移带的变化。结果表明，预蠕变达稳态后抛光的试样在应力腐蚀过程中缺口前端会出现新的滑移带。卸载后检查，在表面和体内均没有发现应力腐蚀裂纹形核，这就表明应力腐蚀过程本身能促进局部塑性变形。应力腐蚀前加载产生多滑移，滑移带的平均高度和宽度分别为29．9nm和0．74μm。应力腐蚀引起的生变形是单滑移，滑移带的高度和宽度分别为8．01nm和2．79μm。     

复合材料的比应变能密度破坏准则

在文献中,提出了一个预测复合材料中裂纹扩展方向的比应变能密度准则(Strain energy density ratio criterion)。用一个短纤维复合材料层合板中Ⅰ-Ⅱ型复合型裂纹扩展方向的预测为例子与实验结果进行了对比。结果表明,该准则对预测复合材料中裂纹扩展方向是成功的。那么,这个准则可否用来预测复合材料的破坏强度呢,本文将研究这个问题。     

Mn8钢TEM原位拉伸变形过程的动态观察

本文采用TEM薄膜原位拉伸变形试验连续观察了Mn8钢变形过程中形变诱发马氏体的形核与长大以及位错组态的动态变化过程,并结合微区成分测定和价电子结构理论计算,对试验现象的本质从电子和原子角度进行了分析说明.1 方法试验材料采用DZG-0.01真空感应电炉熔炼,铸铁模浇注.其化学成分(质量比)为C:1.21,Mn:8.18,Si:0.24,S:0.039,P:0.015.试样经1050℃,2h的固溶处理后淬入水中,获得的组织为单一奥氏体.用H-800透射电子显微镜进行薄膜原位动态拉伸变形试验,其拉伸速度为2μm/s,拉伸力为1kg,最大拉伸量为2.5mm,加速电压为200kV;用EDAX9900型X射线能量谱仪分析试样微区成分.     

最新观察到的巨大核形变

人们用高能粒子轰击靶核引起核裂变的过程中,往往忽略一个称之为同质异能素的亚稳态,该亚稳态在短时间内进行自发裂变。马克斯-普朗克核物理研究所和海德堡大学的一个联合工作组以精细的实验,在亚稳态短时间内准确测量核形变首获成功。