增量锻造平行面过程中材料的损伤研究

在锻造系统中研究了平行面加工时材料的损伤情况.加工出了不同缺口半径的拉伸试样,并进行了拉伸实验,分别得到了材料在Cockcroft ＆ Latham （C-L）与Ayada这2种不同损伤模型时的损伤值.根据该值利用有限元模拟软件DEFORM3D对平行面加工过程进行了模拟,并同时在锻造系统中进行了平行面的锻造试验.对有限元分析数据与试验结果进行比较,表明含有平均应力的Ayada模型更适于增量锻造过程损伤的预测.     

室温下TC11钛合金准静态拉伸力学性能实验研究

针对典型航空材料TC11钛合金的拉伸性能,采用准静态拉伸实验对不同应变率条件下的TC11钛合金的应力-应变关系进行了研究,利用扫描电镜分析了其拉伸断口形貌。实验结果表明:TC11钛合金具有一定的应变率敏感性,抗拉强度和屈服强度均会受到应变率的影响;准静态拉伸时TC11钛合金试样出现了颈缩现象,试样截面形状为杯锥状,试样断口存在光滑的剪切唇区和灰色的纤维区,其断裂属于韧性断裂,但是其韧性较差;TC11钛合金拉伸断口形貌主要为大小不一的韧窝,随着应变率的增大,试样拉伸断口韧窝的大小和深度均变小,同时出现了少量的撕裂棱和准解理面,试样的断裂机制为以韧性断裂为主和伴有准解理断裂。因此,在准静态拉伸条件下,TC11钛合金的力学行为与应变率有关。     

铸轧AZ31镁合金的高温拉伸性能

研究了铸轧AZ31镁合金的高温拉伸性能和变形机制.在300～450℃条件下,分别以恒定拉伸速率10^-3s^-1和10^-2 s^-1进行拉伸至失效试验,在真实应变率为2×10^-4～2×10^-2 s^-1的范围内进行变应变率拉伸试验.当拉伸速率为10^-2s^-1时,试样在400℃和450℃的延伸率均超过100%;当拉伸速率为10^-3 s^-1时,试样在400℃和450℃的延伸率均超过200%,该条件下的应力指数n≈3,蠕变激活能Q=148.77 kJ·mol^-1,变形机制为溶质牵制位错蠕变和晶界滑移的协调机制.通过光学金相显微镜和扫描电子显微镜观察显示试样断口处存在由于发生动态再结晶和晶粒长大而形成的粗大晶粒,断裂形式为空洞长大并连接导致的韧性断裂.     

平纹叠层SiC/SiC复合材料室温和高温拉伸行为与破坏机理

通过单向拉伸试验,对比研究平纹叠层SiC/SiC复合材料在室温和高温(1 200℃)环境下的宏观力学特性,并采用扫描电镜对试验件断口进行观测,以分析其微观损伤模式和破坏机理.结果表明:平纹叠层SiC/SiC复合材料的室温和高温拉伸应力-应变行为均表现为非线性特征,具有较高的轴向拉伸基体开裂应力;两者拉伸强度相差不大,但高温下的断裂应变比室温下的高.从宏观断口分析可知,两者均呈现韧性断裂,但纤维拔出长度和断口平齐程度有所不同.材料内部产生的基体裂纹大部分与加载方向垂直;断面上经向纤维束发生纵向拉伸断裂破坏,内部存在严重的界面脱粘损伤以及纬向纤维束发生轴向劈裂破坏是材料在室温和高温下的拉伸破坏机理.高温下由于纤维与基体间的界面层在一定程度上被高温氧化而退化失效,使界面结合变弱和界面滑移力降低,从而产生较长的纤维拔出长度,所以高温下材料具有较高的断裂韧性.     

选区激光熔化成型TC4钛合金的拉伸性能

为实现选区激光熔化成型的TC4钛合金在军用航空上的应用,减小选区激光熔化成型的TC4钛合金垂直沉积方向(XY方向)与平行沉积方向(Z方向)的拉伸性能差异,在室温状态下对选区激光熔化成型的TC4钛合金进行准静态拉伸试验,结果表明选区激光熔化的TC4钛合金两种方向取样的拉伸性能都达到了中国与美国AMS宇航钛合金标准。TC4钛合金沿XY向取样合金的抗拉强度与屈服强度要略高于沿Z方向取样,断后伸长率与断面收缩率略小于沿Z方向取样。合金断口为韧窝特征形貌,与XY方向取样相比,Z方向取样断口剪切唇区域尺寸分布比例略小,纤维区差异不大。     

多盐耦合环境下混凝土腐蚀损伤发展模型

以SO₄^2-,Cl^-与Mg²⁺作为主要离子模拟工厂中实际恶劣化学腐蚀环境，开展现场暴露试验及室内模拟试验.研究了不同浸泡方式、水胶质量比、腐蚀溶液质量分数及干湿周期对混凝土劣化影响，采用超声波检测分析混凝土劣化程度.结果表明：在多盐耦合作用下，混凝土的损伤层厚度随腐蚀时间持续增加且速度逐渐减小.腐蚀前期Cl^-与SO₄^2-先进行反应，混凝土内外浓度差较大，腐蚀速度快；腐蚀中期镁盐参与腐蚀，导致缺陷再发展，但浓度差减小，腐蚀速度放缓.基于试验结果提出损伤发展模型，得出室内模拟试验腐蚀1.37 d相当于现场半浸泡试验腐蚀1 d,结果较为准确.     

单调荷载下钢材延性断裂损伤因子模型及参数校准

为提高钢材断裂模型的通用性和实时性,采用延性损伤因子概念,分别建立了基于VGM的VGM-DDF断裂模型和基于Johnson-Cook的JC-DDF断裂模型.结合不同槽口半径光滑圆棒试件的单向拉伸试验和有限元分析,研究了不同试件加载过程中应力三轴度和等效塑性应变的关系,并对国产Q235钢在单调荷载下延性断裂损伤因子模型参数进行了校准.采用校准后的断裂模型计算了各试件断裂损伤因子值,利用Abaqus软件对钢材断裂进行全过程模拟,并对不同的单元网格尺寸模型进行分析.结果表明:损伤因子模型的有效性得到验证,且JC-DDF模型离散性更小;断裂后荷载位移模拟曲线与试验曲线具有较好的吻合度;有限元单元网格尺寸影响断裂预测精度,并建议网格尺寸取0.25 mm.     

基于GTN模型的小冲孔高温拉伸性能表征

由于常规高温性能测试试验时间周期长,而小冲孔试验简单便捷,并且更适用于微小对象的研究.本文针对新型奥氏体耐热钢Sanicro25,进行了不同速率下小冲孔高温拉伸试验,提出了新的抗拉强度计算公式,计算精度高;观察小冲孔试样扫描电镜断口形貌,发现主要是韧性断裂形式,和单轴拉伸结果相似;采用ABAQUS软件结合适用于金属韧性断裂损伤的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型对小冲孔拉伸过程进行了数值分析,采用分段优化和最小二乘法等获得了改进的GTN模型的不同参数值,最终模拟结果与试验结果相近;在对小冲孔变形过程分析中,提出了GTN模型中临界空隙体积分数与断裂体积分数和最大载荷及其位移的定性关系.     

2.5D C/C编织复合材料损伤演化试验研究

为研究2.5D C/C(碳/碳)编织复合材料的失效机理,对矩形截面试样开展损伤演化模拟试验.针对轴向加卸载过程中的应变响应,使用弹性模量法逐级计算试样损伤值,研究其损伤演化过程和规律;结合试样断口分析,总结不同失效模式对应的损伤效应.试验结果表明:2.5D C/C编织复合材料的失效位置具有分散性,失效模式具有多样性特征;分层破坏时损伤累积较小,损伤值达到10%～13%时试样即发生破坏,且裂纹只在层间扩展;纤维拔出和断裂时损伤累积效应较明显,在试样断口附近正反两面损伤演化过程均较显著,损伤值达到20%～25%时试样破坏.     

TC4钛合金平板高速撞击损伤及弹道极限特性

为研究高速撞击下TC4钛合金平板的损伤行为和弹道极限特性,首先利用空气炮和LS-DYNA软件对直径25.4 mm钢弹高速正撞击3 mm厚TC4钛合金平板的过程进行了实验和仿真分析研究,得到TC4钛合金平板的损伤结果和弹道极限速度;并基于实验结果验证了有限元模型的准确性。然后利用有限元方法进一步分析了平板厚度、撞击角度和弹头形状对TC4钛合金平板撞击损伤及弹道极限特性的影响。研究结果表明:平板厚度越大,弹丸撞击角度越小,平板的弹道极限速度越大;而弹丸直径相同时,弹头形状对薄板的弹道极限速度有一定影响;此外,平板厚度、撞击角度及弹头形状对平板的撞击损伤形式有较大影响。     

TC18钛合金多次冲击损伤演化规律

为了探究TC18材料在多次冲击下的损伤演化规律,参考夏比冲击标准设计了三点弯冲击试验件,开展了多次冲击试验。通过动态拉伸试验以及两个应变水平的低周疲劳试验获得了TC18材料的Johnsonson-Cook本构模型、Lemaitre损伤模型中的材料参数,引入修正因子改进了Lemaitre损伤模型,并编写了子程序,基于Johnson-Cook本构模型和改进的Lemaitre损伤模型对试验件进行了多次冲击数值仿真。结果表明,采用改进的Lemaitre损伤模型的有限元仿真结果与试验结果符合较好,TC18材料在多次冲击下损伤变化呈现两个阶段——缓慢累积和迅速增长。     

TC4钛合金钻杆在腐蚀条件下的力学性能研究

为研究适用于腐蚀环境下的钛合金钻杆材料,参照NACE和GB规范中的腐蚀要求和试验标准,首先对TC4钛合金试件进行腐蚀处理（设置未经腐蚀处理的对照组）,然后进行拉伸、冲击和硬度试验,研究其在腐蚀条件下的综合力学性能. 结果表明:在NaCl、H₂S、CO₂、205 ℃条件下,TC4钛合金的拉伸性能下降不超过10%,冲击性能变化仅为0.33%,硬度下降3.21%,说明TC4钛合金具有出色的耐腐蚀性,在腐蚀条件下能够保持良好的综合力学性能. 以API规范中对钢钻杆材料的力学性能要求为指标,腐蚀处理后TC4钛合金的力学性能表现为屈服强度、拉伸强度及伸长率均不低于X级钢;冲击吸收功高于API对钢钻杆要求的62%（20 ℃）;硬度超过G级钢约37%,接近S级钢;故可将TC4钛合金应用于腐蚀性油气井钻杆中以避免或减轻钻杆腐蚀失效.      

电火花线切割TC4钛合金棱角质量控制方法研究

为提高电火花线切割加工TC4钛合金时的棱角加工质量,结合电火花线切割加工特点及正交试验,采用脉宽、通道、跟踪以及丝速的四因素组合下测出加工工件不同角度的棱角质量缺损情况,研究不同切割角度下工件缺损的主要影响参数,得出各个角度最小缺损情况下的切割最佳参数。研究表明：在脉宽为9μs,跟踪值为4,通道为5个,运丝速度为50m/min时的TC4钛合金棱角缺损面积最小为0.032mm²;在脉宽为32μs,跟踪值为2,通道为7,运丝速度为50m/min时,材料切割速度最快为9.7mm²/min。     

基于多尺度晶粒细化演变的TC4加工表层硬度预测

表面层微观组织结构变化决定了零件的宏观性能，准确实现零件加工表层微观组织演变预测，进而提高零件加工表层力学性能(如硬度)，是改善零件服役效能以及实现零件长服役寿命可控加工的一种有效方法。切削加工是钛合金TC4零件制造工艺中最基本的加工方法之一，切削过程中材料的剧烈塑性变形导致TC4加工表层微观组织变化复杂，本文针对TC4切削过程中的晶粒细化现象，对不同切削速度(100 ～ 500 m/min)下TC4组织结构多尺度分布特征、晶粒细化演变规律及其对表面材料硬度影响进行了研究。结果表明：TC4加工表层介观尺度(10^-6 ～ 10^-5 m)晶粒细化程度随切削速度提高呈现先增大后减小趋势，切削速度为300 m/min时，加工表面晶粒细化程度达69. 7%，切屑剪切带晶粒尺寸细化至2 ～ 6 μm；微观尺度(10^-8 ～ 10^-7 m)上表现为复杂位错组态和纳米孪晶，纳米孪晶类型主要为 ■压缩孪晶，且纳米孪晶在较高切削速度(> 200 m/min)下产生；基于修正的Z-H晶粒细化模型和纳米孪晶体积分数预...     

水平集法模拟PCrNi3MoV钢奥氏体晶粒长大组织演变

为了探索PCrNi3MoV钢加热或高温下晶粒长大规律,采用水平集法进行数值模拟,研究其在不同加热条件下的晶粒长大组织演变行为,同时使用Gleeble-1500D热模拟试验机对PCrNi3MoV钢进行1 000～1 100℃下保温10～2 000 s的一系列等温条件下奥氏体晶粒长大试验。采用Burke-Turnbull晶粒长大模型,利用反算法求得材料参数中间变量M_bγ_b终值在1 000℃、1 050℃和1 100℃时分别为7.51×10^-6 mm²s^-1、2.03×10^-5 mm²s^-1和4.26×10^-5 mm²s^-1,时间指数n终值分别为0.532 4、0.802 6和0.771 1,这表明1 000℃下晶粒长大趋势显著低于1 050℃和1 100℃的长大趋势。为了解决n值不一致的问题,改进了Burke-Turnbull晶粒长大模型,改进模型的决...     

粗晶粒铸轧AZ31镁合金的高温拉伸性能

研究了具有较大晶粒尺寸铸轧态AZ31镁合金的高温拉伸性能。通过热处理获得晶粒尺寸d=27.8μm的板材,对不同试样,在温度分别为300,350,400,450℃恒温条件下,以10^-3s^-1和10^-2s^-1恒定拉伸速率对试样进行拉伸至失效实验。结果表明,粗晶粒AZ31镁合金在450℃和10^-3s^-1条件下达到最大的延伸率106.7%。拉伸试样断口形貌的分析表明,450℃时出现丝状物质是合金出现液态Zn的结果。少量的液相可以释放应力集中和协调此时的变形过程。与细晶粒铸轧态AZ31相比,在拉伸条件相同和晶粒尺寸不同的情况下,粗晶粒的塑形较低,其原因是晶界滑移在变形时所作贡献少。     

HDPE膜的力学特性受损伤影响初步研究

为分析某一现代卫生填埋场边坡上铺设的高密度聚乙烯膜(HDPE膜)因施工损伤而引发的断裂机制,开展了条带拉伸试验和土工离心模型试验．拉伸试验测试了无损膜和4种情形损伤膜试样,发现损伤HDPE膜受力达到峰值强度并被拉长至一定程度后,其拉伸变形不再在整个试样长度范围内均匀发生,而主要集中在受损部位发生,故实测到的损伤膜极限伸长率仅为无损情形时的1／10左右．这一影响实际上改变了HDPE膜的破坏机制,使其由原先的渐进性破坏变成受损后的突发性破坏．两组初步离心模型试验结果发现,在轻质高压缩性的模型MSW作用下,模型膜上的损伤明显扩大,受损部位的拉伸变形十分明显并接近断裂,表明损伤对膜的实际工作性状有很大影响．     

基于微孔洞细观损伤模型的金属剪切失效分析

针对GTN模型不能模拟剪切破坏这一缺陷,基于Nahshon和Hutchinson的修正,在隐式有限元过程中开发了同时适用于拉伸和剪切断裂模式的细观损伤材料本构.首先,推导了适用于修正后损伤本构的全隐式数值积分公式和一致性切线模量,给出了UMAT子程序的计算流程;然后,采用一个单元分别施加拉伸和剪切边界条件,验证了细观损伤材料本构的有效性;最后,分析了薄壁结构在扭转载荷下的弹塑性响应.与试验结果的对比研究表明:修正的细观损伤模型能够较好地预测出延性材料的剪切损伤演化过程.     

Q345B钢材GTN模型损伤参数标定及应用

目的标定Q345B钢材GTN模型损伤参数及评价损伤参数,并对钢管相贯节点的损伤起始位置进行预测.方法对取自Q345B钢材的光滑圆棒和带缺口的圆棒试样进行单轴拉伸试验,采用逆推法标定GTN细观损伤力学模型参数,并应用有限元分析方法预测相贯节点的损伤起始位置以及开裂破坏过程.结果引入的GTN细观损伤力学模型参数的支管端部荷载-相对凸凹变形曲线与试验结果吻合较好,有限元分析计算得到的损伤起始点荷载和位移与试验结果接近,并且有限元模拟的损伤起始位置与试验中观测到的裂纹开展起始位置相近.结论 Q345B钢材GTN损伤本构模型,能够模拟结构断裂过程,预测结构的断裂荷载、断裂位移、破坏位置.     

声发射方法表征B_4C/6061Al复合材料疲劳损伤机制

对B_4C/6061Al复合材料在疲劳载荷作用下的声发射响应和动态弹性模量进行了研究,综合表征了复合材料的疲劳损伤与裂纹萌生机制。检测了B_4C增强铝基复合材料在应力控制拉-拉疲劳试验下的疲劳性能,通过建立模型分析复合材料的断裂机理并通过动态弹性模量-声发射耦合方法分析B_4C/6061Al复合材料在疲劳载荷作用下的疲劳损伤机制;同时使用扫描电镜观察复合材料断口形貌,分析其断裂行为;最终通过所建立的模型分析复合材料断裂机理,并通过动态弹性模量-声发射耦合分析B_4C/6061Al复合材料在循环载荷下的疲劳损伤机制,建立复合材料塑性应变能、疲劳应变之间的线性关系。