小盒商标纸在线压痕装置的设计与应用

目的解决中支双铝包小盒商标纸因模切压痕不稳定出现的烟包小盒侧边弹开翻折、烟包变形等问题。方法设计小盒商标纸在线压痕装置,该装置包括机架、传动轴、辗送轮、压痕件、导纸轮、对压轮、压痕避让部和托纸轮,同时开展正交试验,获取压痕件半径、刃缘弧长和包装机作业速度最佳参数组合。结果应用在线压痕装置后,小盒商标纸压痕挺度的平均绝对误差由6.0减小至1.9,次品烟包频率由37.6包/班次降低至8.4包/班次,改进后比改进前降低了77.7%。结论设计的小盒商标纸在线压痕装置可使商标纸挺度处于适宜水平,降低了该类缺陷烟包频率,提高了烟包包装质量。该技术可为提高双铝包包装机的产品质量、作业效率及稳定性提供支持。

圆柱形锂电池在局部压痕下的安全性实验研究

锂电池局部挤压是汽车碰撞引发的主要损伤形式。为了明确锂电池在受到局部挤压时的安全性能,利用自研的机械滥用实验平台,对18650锂电池进行局部压痕实验,以渐进压缩的方式分析其失效过程,得到了失效过程及温度演变规律,讨论了电池荷电状态、加载速度、压痕位置和压头尺寸对电池安全的影响。结果表明:锂电池受局部挤压后有明显的热失控规律,失效后不会立即发生热失控,存在一定的反应时间;电池荷电状态与热失控剧烈程度成正相关,加载速度决定了电池的失效时间;靠近电池负极一端受到损伤时更易引发热失控现象,且受损面积较大时温度更高。实验结果可为锂电池包的安全性设计提供有益的建议。

TC17钛合金表面残余应力的点阵式维氏压痕测试

采用点阵式维氏压痕测试方法得到TC17钛合金表面12个测试点的载荷-深度曲线;通过等效材料维氏压痕模型计算合金表面12个测试点的双向残余应力和单向残余应力,将残余应力值代入ANSYS 19.2有限元分析软件中得到载荷-深度曲线,并进行试验验证。结果表明:试验得到表面不同测试点的应力均为残余拉应力;采用有限元方法模拟得到双向残余应力和单向残余应力下的载荷-深度曲线与试验结果吻合较好,载荷-深度曲线的加载曲率的相对误差均小于1.5%,等效材料维氏压痕模型可以准确地预测合金表层单向残余应力和双向残余应力分布。

基于压痕试验的岩石力学参数的卡尔曼滤波反演

压痕试验是间接评估岩体力学特性的重要方法,为了更好地利用压痕试验评估岩体力学参数,本研究采用一种基于扩展卡尔曼滤波算法的参数反演方法。基于室内压痕试验获得的荷载-压入深度曲线数据,通过弹塑性数值仿真模型构建岩体弹塑性参数与压痕曲线的响应关系,进而利用卡尔曼滤波算法实现对岩石弹塑性参数的反演和优化分析。结果表明,本研究方法具有较好的收敛性和较高的识别精度,反演得到的岩石弹性参数均值的相对误差在10%左右,塑性参数的反演结果相对误差小于20%。较传统单一经验公式方法,本研究方法具有更高的预测精度,对多种不同岩性岩体都有较好的适用性。

SiCp/Al复合材料纳米压痕/划痕下的脆塑性行为研究

为探究SiCp/Al复合材料中两相材料相互作用引起的力学性能差异,研究微观尺度下法向载荷变化对SiCp/Al复合材料形变和去除的影响。采用纳米压痕实验,基于Oliver-Pharr法测得其硬度和弹性模量,并对其压痕表面进行观察,结合有限元仿真分析产生力学性能差异的原因;同时,根据纳米压痕实验所得力学参数进行变载荷纳米划痕仿真,并配合实验后划痕表面观察结果分析材料的形变和脆塑性行为。结果表明:当金刚石压头作用于SiC颗粒时,颗粒出现破碎和二次压入现象,所测硬度与弹性模量小于单晶SiC的理论值;当金刚石压头作用于基体相时,由于SiC颗粒阻碍基体压入,复合材料的硬度与弹性模量测量结果偏大。在纳米划痕过程中,复合材料的去除形式随载荷变化体现为划擦、耕犁和切削阶段,其中的基体相通过塑性流动产生塑性脊堆积并伴随有涂覆现象,SiC颗粒则以脱黏、断裂破碎和拔出等脆性机制而去除,且SiC颗粒的二次压入、断裂、破碎和拔出是导致复合材料力学性能与单晶SiC的力学性能产生巨大差异的主要原因。随着划痕载荷增加,SiC体积分数为45%的SiCp/Al复合材料的去除机制更多取决于以塑性去除为主的基体相,而SiC颗粒则主要表现为脆性去除。

煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎,强度较低,难以制备标准的力学测试煤样,也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性,具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点。结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验,研究了4种煤的物性特征及微观力学性质。结果表明,实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物,不同煤的矿物组分有显著差异。煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显,煤中矿物分布具有显著非均质性。纳米压痕实验结果表明:①煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高,会导致煤样表面力学性质越强,压痕深度越小;②煤样表面的组分越复杂,煤的非均质性越明显,表面微观力学性质分布的离散程度越高;③煤的煤阶越高,变质程度越高,外部孔隙越发育,导致断裂韧度提高;④对压痕试验结果进行拟合,发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系,并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响。

球压痕法获取不同变形率下316L不锈钢的力学性能

核电焊接结构由于在加工过程中受到冷作硬化导致局部区域力学性能发生改变且难以准确获取,利用ABAQUS有限元分析软件建立了弹塑性材料下的压痕实验三维模型进行数值模拟,通过识别载荷-深度曲线中的相关参数,结合量纲分析法理论计算316L奥氏体不锈钢材料在不同变形率下的力学性能参量。结果表明,随着变形率的不断增大,材料的塑性降低,硬度增大,且力学性能参数如屈服强度、抗拉强度及硬化指数均相应增大。

全自动布氏压痕测量系统校准方法研究

以创新驱动和质量为先,加强量传溯源技术和方法研究,是我国计量发展规划的重要内容。开展全自动布氏压痕测量系统校准方法研究,解决其系统校准问题,满足力学性能试验中布氏硬度的检测技术要求,制定校准规范,实现全自动布氏压痕测量系统溯源,为国防工业、民用机械行业力学性能试验提供成功经验,发挥重要作用。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。

基于纳米压痕和FE-SEM技术探究页岩页理结构对其微——宏观力学行为的影响

页岩颗粒具有多变的几何形状与复杂的排列组合方式,在宏、细及微观尺度上分别体现为层理、层偶及颗粒的定向排列结构。笔者等以鄂尔多斯盆地长7页岩为研究对象,基于大量的扫描电镜图像确立了颗粒粒度分布分形维数、颗粒与孔隙定向分形维数等刻画页岩颗粒定向排列的指标.

FeCrNiCoCu纳米压痕性能的分子动力学研究

纳米压痕是研究金属特性最广泛的方法之一.因此,本文采用分子动力学方法研究了晶粒数、压痕半径和压痕速度对FeCrNiCoCu压痕性能的影响.结果表明,晶粒数从4增加到16,杨氏模量和硬度值逐渐减小,呈现反Hall-Petch现象;随着压头半径的增加,杨氏模量增大,硬度受接触面积的影响较大而减小,较大的压头半径有利于模型内部位错的产生和扩展;压入速度对杨氏模量和硬度的影响微弱,压入速度越快,位错密度越低,位错传播速度越慢.本工作以期为FeCrNiCoCu的研究提供理论指导.

GDX2和FOCKE701硬盒包装机硬盒包装纸压痕参数的设计

为解决硬盒包装纸成型过程中因压痕工艺差异而影响烟包品质以及上机适应能力等问题，通过分析硬盒包装机的包装工艺流程，以及辅料模切工艺对烟包成型的影响，基于GDX2和FOCKE701硬盒包装机设计了一套硬盒包装纸压痕参数。研究发现，压痕槽宽度、压痕形状和压痕挺力是压痕工艺的主要参数。试验结果表明，压痕槽宽度1．2mm，压痕形状纤维方向为尖峰，垂直纤维方向为圆头，FT／FU、B／BT、F／G、F／L位置的压痕挺力处于50—60g·cm，BT／RW位置的压痕挺力处于15—25g·cm时，包装纸成型效果最理想。实际运行表明，因压痕工艺辅料造成的烟包缺陷率，GDX2由单日3包／台降低到0．1包／台，FOCKE701由单日3．1包／台降低到0．1包／台。包装纸压痕参数的确定有助于优化硬盒包装机的生产工艺参数，提高包装纸的上机适应能力。

海洋环境中锈蚀产物纳米压痕与固结试验力学性能

明确实际海洋环境中钢筋锈蚀产物的力学特性对建立混凝土结构锈胀开裂模型具有重要意义。依托海洋基础设施长期性能野外观测研究基地,对实际海洋环境中暴露15 a钢板、预埋钢筋混凝土试块及温州某码头锈胀开裂横梁混凝土构件的锈蚀产物开展了取样及分析工作,通过纳米压痕与固结试验表征了锈蚀产物的纳米压痕弹性模量、硬度及瞬时弹性模量,并进行了微观结构与组成分析。结果表明:钢板锈蚀产物弹性模量低于混凝土中钢筋锈蚀产物,钢筋锈蚀产物弹性模量集中分布于70~110 GPa,硬度为0.002~0.013 GPa;基于Hertz弹性接触理论计算得到的钢筋锈蚀产物瞬时弹性模量集中分布于100~150 GPa;混凝土中钢筋锈蚀产物微观结构较致密,不同锈蚀产物中Fe、O原子比存在较大差异,各锈蚀组分所占比例不同,同时检测到了一定比例的Cl元素,钢筋锈蚀与Cl-的侵蚀紧密相关。

基于纳米压痕反向分析的Fe-32Ni超因瓦合金介观尺度弹塑性本构关系

采用纳米压痕技术和电子背散射衍射分析技术对Fe-32Ni超因瓦合金不同取向的晶粒进行了测试,得到了材料在(001)、(101)和(111)取向下的弹性模量和硬度。同时基于量纲分析提出了一种改进的反向算法,并结合有限元仿真对Fe-32Ni超因瓦合金的纳米压痕过程进行了反向分析和计算,通过纳米压痕实验曲线与仿真曲线的对比,最终获得材料在(001)、(101)和(111)取向下的应力应变关系,结果表明:(001)取向下晶粒的屈服强度最高,(101)取向下晶粒的屈服强度最低。此外,(101)和(111)取向的晶粒屈服后的应力-应变曲线变化趋势较为一致,而(001)取向下的应力-应变曲线变化较为平缓,材料在不同取向下的力学响应具有明显的各向异性。

高温微米球压痕测试装置的设计与应用

为了将“双碳”理念融入实验教学,搭建了高温微米球压痕测试装置。该测试装置包括常温压痕测试模块、加热温控系统、隔热结构3个部分,可实现室温至300℃下的压痕测试。通过温控系统加热升温并保持温度恒定后,多次加卸载循环下获得相应温度的压入载荷-位移曲线,利用计算软件拟合得到应力-应变曲线并计算屈服强度及抗拉强度,实现与常规高温拉伸实验的关联。在对Q345钢块状试样进行室温至300℃下的测试后,获得了相应的屈服强度与抗拉强度,与标准拉伸曲线进行对比,误差均在合理范围内。

四边连接圆形压痕钢板剪力墙的抗侧能力分析

为合理调节或优化传统钢板剪力墙(steel plate shear wall,SPSW)的抗震性能,本文提出了一种新型的带圆形压痕的钢板剪力墙结构(steel plate shear wall with circle dents,SPSW-CD)。基于有限元方法系统研究了压痕孔径、压痕孔距、压痕深度、钢板厚度和钢材强度等参数对SPSW-CD抗侧性能的影响,提出了四边连接SPSW-CD抗侧刚度及水平承载力的简化计算公式。分析结果表明随着压痕孔径增加,SPSW-CD的初始抗侧刚度及水平承载力均呈降低趋势;压痕孔距及钢板厚度越大,SPSW-CD抗侧性能越优。随着钢材强度增加,SPSW-CD水平承载力呈明显的增大趋势,但对其抗侧刚度影响不明显。压痕深度对SPSW-CD抗侧性能的影响可忽略。SPSW-CD抗侧刚度及水平承载力计算公式计算误差均小于10%,研究成果可用于此类结构的工程设计。

基于Berkovich压痕应变能量密度的钢材断裂韧性评价方法

为改善压痕法测试断裂韧性过程中测量标准不同和精度不足的问题,基于临界压痕能量(Critical indentation energy, CIE)法,提出了基于Berkovich压痕应变能量密度(Strain energy density, SED)评估钢材断裂韧性的方法。同时考虑弹性和塑性能量并修正临界总压深,评价了9种钢材的韧性。结果表明,发现仅考虑塑性能量所测量韧性的相对误差在5%~20%,而本文同时考虑弹性和塑性能量所测量韧性的相对误差在5%以内。同时,确定临界总压深的拟合范围需要避开材料近表面弹性模量上升的区域,改善了基于CIE法使用Berkovich压头评估钢材断裂韧性的精确度。

基于压痕实验确定非均质材料力学特性的研究

目的高眼压下筛板变形将挤压视神经,导致视神经轴浆流阻断,因此研究筛板的力学特性有重要意义。筛板区组织包含筛板和视神经节细胞轴突,可看作是一种典型的非均质复合材料。利用有限元方法模拟压痕实验,研究筛板区组织力学特性与孔隙率的关系,提出一种筛板区组织力学特性的确定方法。方法基于大鼠筛板区组织微观结构,建立大鼠筛板区组织的理想化非均质复合材料三维有限元模型。利用有限元方法模拟球形压头压入的过程,获得不同孔隙率时压头的压入深度与压入载荷曲线,利用量纲分析获得压入载荷与孔隙率、筛板力学特性及视神经节细胞轴突力学特性的关系,从而确定筛板的力学特性。结果随着探针压入深度的增加,筛板区组织的微结构对宏观压痕结果的影响逐渐减小,力学特性逐渐趋于稳定。基于无量纲公式预测筛板区组织在压痕实验下的有效弹性模量,并利用数值算例验证了预测弹性模量方法的有效性,结果发现弹性模量识别误差低于10%。结论测量视乳头筛板区孔隙率后,可以使用无量纲公式对筛板力学特性进行定量评估,对于深入研究青光眼的发病机制以及临床上青光眼的早期诊断具有重要意义。

红页岩纳米压痕细观力学特性研究

【目的】通过纳米压痕试验研究矿物细观力学特性,对于揭示矿物细观尺度破坏机制具有重要意义。【方法】以磷矿红页岩围岩主要矿物为对象,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)试验对红页岩主要矿物进行定性、半定量和空间分布特征分析,开展靶向纳米压痕试验,获取矿物细观力学性质。基于Voronoi多边形法构建细观矿物纳米压痕离散数值计算模型,并将模拟结果与试验结果进行对比分析。【结论和结果】结果表明:(1)红页岩中含石英、钠长石、绿泥石和伊利石4种矿物,弹性模量依次为95.62、78.13、53.50、48.91 GPa,石英、钠长石矿物力学性质最好,绿泥石和伊利石最差,表明红页岩非均质性、多相性的材料属性。(2)室内试验表明矿物内部缺陷、微孔隙的存在导致荷载-位移曲线台阶拐点等异常情况,而模拟结果表明矿物颗粒簇尺寸、含量和空间分布特征均会使荷载-位移曲线出现拐点突增等情况,解释了纳米压痕荷载-位移曲线出现异常点的原因。(3)矿物压入后在微裂纹类别、数量、占比及倾向分布的差异较大,表征受载过程矿物劣化程度及微裂纹扩展方向。研究成果有助于预测矿物受荷载作用时的开裂方向,为细观矿物劣化分析提供理论支持,对相似工况下围岩灾害预防提供借鉴。

基于纳米压痕试验的沥青混合料ITZ识别及力学性能

采用纳米压痕试验研究了2种沥青混合料的界面过渡区(ITZ),并基于微观断裂韧度指标评价了ITZ的力学特性.结果表明:玄武岩沥青混合料ITZ的厚度为6~12μm,石灰岩沥青混合料ITZ的厚度为10~18μm;ITZ的力学特性与集料更为接近,沥青混合料抗开裂性能和稳定性受沥青与集料的共同影响,ITZ的断裂韧度越大,沥青混合料的抗开裂性能越好;裂缝容易在ITZ和沥青胶浆的交界处展开,特别是沥青混合料更容易在ITZ和沥青胶浆的交界处发生脆性断裂.