考虑微裂纹力学行为的岩石单轴压缩损伤模型

针对目前岩石压缩损伤模型未能很好地同时考虑微裂纹滑移与扩展对岩石总变形的贡献、微裂纹复合扩展准则及岩石损伤程度对被激活裂纹数量影响等不足,基于细观力学对微裂纹在单轴压缩荷载下的滑移及扩展机理展开研究。首先根据微裂纹滑移模型及能量平衡原理,建立了岩石单轴压缩应力应变关系,并认为微裂纹服从Weibull分布模型;进而以应变能密度准则作为微裂隙扩展判据,采用迭代法求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并获得用翼裂纹扩展长度表示的岩石损伤变量演化方程,由此提出了一个新的岩石单轴压缩损伤模型,并验证了其合理性;最后,采用参数敏感性分析研究了微裂纹长度及摩擦系数和岩石断裂韧度对岩石力学特性的影响。结果表明:由本模型预测得到的岩石单轴压缩峰值强度与试验结果吻合较好,说明了其合理性。同时发现随着微裂纹长度增加及其摩擦系数减小、岩石断裂韧度增加,岩石单轴抗压峰值强度及峰值应变均随之减小。当微裂纹长度由60μm增加到120μm时,岩石单轴抗压峰值强度近似线性降低;而当微裂纹摩擦系数由0.5增加到0.8及岩石断裂韧度由0.3 MPa·m^(1/2)增加到0.6 MPa·m1/2时,岩石单轴抗压峰值强度均是先缓慢增加,而后迅速增加。本研究为岩石压缩损伤本构模型的建立提供了一条新的思路,具有重要的理论意义。

核电厂截止阀阀杆微裂纹老化检测技术研究

由于截止阀阀杆材料、热处理不当、应力集中、点蚀及晶间腐蚀等因素,加之在阀门开关过程中受力过载,因此导致断裂事件时常发生,影响核电机组安全运行。针对核电厂截止阀维修工作量大、拆装检查后无法重复使用的问题,开发截止阀阀杆微裂纹专用老化检测技术,实现了对阀杆断裂敏感部位微裂纹的有效探测,减少了阀门维修过程的工作量。

热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织的影响

为揭示GH3230高温合金的激光选区熔化增材成形性,研究了热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织及拉伸性能的影响。结果表明,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态存在凝固微裂纹,该裂纹在XOY截面呈现龟裂特征,在ZOY截面呈现线状;热等静压之后,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金的一部分微裂纹可以消除,另一部分较长的微裂纹难以消除。激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态组织基本为片状固溶体组织,在晶界附近存在少量析出碳化物;热等静压之后,在晶界附近析出大量的MoWCr碳化物,而晶内析出MoWCr碳化物数量多且尺寸较小。凝固微裂纹导致激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态XY方向抗拉强度及延伸率降低,而热等静压能减小大尺寸微裂纹,消除小尺寸微裂纹及气孔,可大幅提高XY方向的抗拉强度和延伸率。

BGA焊点微裂纹缺陷检测研究

球栅阵列封装(BGA)元器件的焊点隐藏于IC芯片底部,经电装后仅边缘焊点可见,因此检验其焊接质量是行业普遍的难题。探讨了BGA焊点微裂纹缺陷的产生机理和裂纹分布,设计了基于计算机分层层析成像(CL)技术的BGA焊点微裂纹缺陷检测方法和检测流程。经实测证明,该测试方法可以兼顾检测质量和效率,具有工程应用的可行性,可为BGA焊点检验人员提供参考。

宽频非线性超声法在混凝土扩展微裂纹的应用

混凝土微裂纹的扩展对于重要混凝土结构或者疲劳荷载下的建筑或桥梁的安全性和耐久性具有较大影响,传统的无损检测方法对微裂纹不敏感,针对此问题,提出一种利用宽频非线性超声调制原理检测混凝土扩展微裂纹的方法。借助扩展有限元仿真法,模拟超声激励含微裂纹混凝土模型产生应力波,对混凝土模型接收点的位移信号进行频谱分析,建立了微裂纹扩展长度与非线性调制法中所定义的损伤指标峰值之间的关系。通过仿真模拟和试验检测,研究了宽频激励下非线性超声检测荷载下扩展微裂纹的可测性,从而实现对混凝土微裂纹扩展趋势的实时动态监测。

温度对金属微互连结构界面微裂纹扩展连通过程的影响

采用晶体相场方法在纳米尺度下对金属微互连结构界面微裂纹扩展连通过程进行了研究。结果表明:随着温度的升高和演化时间的增加,微裂纹扩展过程中主裂纹长度增大,二次微裂纹数量增多,微裂纹呈“一字形”和“树枝状”生长,微裂纹扩展过程中的连通行为逐渐增多。初始缺口形貌为圆形的微裂纹在扩展过程中主裂纹长度和二次微裂纹出现的时间均比初始缺口形貌为矩形的慢。微裂纹扩展长度随着演化时间和温度的增加逐渐增大;微裂纹扩展速率随着温度的增加而增大,但随着演化时间的增加,呈先增加后减小趋势。温度并不改变原子波动周期,不同温度下微裂纹的扩展只取决于原子扩散速率,与原子间距无关。

深海耐压结构微裂纹损伤识别与定量评估方法

深海耐压壳安全研究主要集中在材料性能本构模型和以疲劳寿命预测为目标的结构参数评估模型上,其损伤识别和定量评估方法的研究尚不成熟。本文针对深海耐压结构,基于电磁感应和涡流热效应,探究瞬态温度响应与微裂纹损伤间的关系,以实现耐压壳关键部位微裂纹的量化研究。项目研究成果将弥补耐压壳服役安全性研究中无损伤监测的空白,为深海耐压壳微裂纹损伤识别提供原创方法及理论依据,保障目前在役深海潜水器的作业安全。

基于扩展有限元的含缺陷混凝土微裂纹模型构建及其应用

本文提出了一种多尺度的数值模型来模拟混凝土材料内部的微裂纹扩展,描述微裂纹的萌生、扩展、聚合直至形成宏观裂纹最终材料破坏的全过程。该方法基于扩展有限元理论框架实现,使得骨料边缘和界面过渡区不必和单元边界重合,整个结构可划分为十分规则的网格。作为分析案例,对混凝土试件单轴受拉过程进行仿真模拟,结果表明,骨料体积含量减小时,强度呈现上升的趋势,有限元分析结果与试验结果吻合良好,验证了模型的合理性。该数值模型从断裂机理出发,完整地描述了混凝土内部微裂纹扩展的全过程,可为类似混凝土准脆性材料的多尺度数值分析和理论研究提供参考。

预腐蚀7050-T7651铝合金微裂纹的萌生与扩展

开展不同预腐蚀时间下7050-T7651铝合金的扫描电子显微镜原位拉伸实验,利用扫描电子显微镜观原位、在线测试件表面微观裂纹的萌生、扩展,分析腐蚀对铝合金微裂纹行为的影响。结果表明:随着腐蚀程度加剧,试件表面腐蚀坑密度增大,形成腐蚀坑群,试件的承载能力也随之下降。微裂纹主要萌生于试件缺口粗糙表面和试件表面蚀坑处,微裂纹数量随着腐蚀时间的延长而增多;缺口产生的微裂纹与相邻的蚀坑微裂纹相互联结形成主裂纹,主导试件的损伤失效过程。腐蚀损伤较轻时,主裂纹尖端附近的蚀坑会引起裂纹分支;腐蚀损伤较重时,腐蚀坑诱导的多条微裂纹与主裂纹发生多次联合,影响了主裂纹的扩展方向与路径;切应力在裂纹扩展过程中也起到了重要作用,开裂模式为Ⅰ/Ⅱ混合断裂模式。

温度对TiAl涂层微裂纹扩展影响的分子动力学研究

运用分子动力学方法对不同温度下TiAl合金的微裂纹扩展过程进行了研究,建立了TiAl合金分子动力学模型,通过共同近邻分析和位错分析得到了其在微观尺度下裂纹扩展的变形机制,并采用扫描电镜原位拉伸TiAl涂层试验对模拟结果进行了验证。结果表明,在分子动力学模拟和扫描电镜原位拉伸试验中均可见裂纹向前方[100]晶向扩展,在临近孔洞时,裂纹扩展路径向[110]晶向扩展。在应力加载过程中,体系会发生裂纹尖端钝化、孔洞引导裂纹扩展改变初始扩展方向以及边界塞积等现象。随着温度的升高,原子的活性增强,热运动加剧,裂纹钝化速度增加,裂纹扩展速度变慢。体系的能量随着温度的升高而增加,当温度为500 K时,应力达到最大。温度为300~500 K时,TiAl合金的抗塑性较好,晶体结构较稳定,温度为500~1100 K时,体系易发生塑性变形,引发位错增殖,原因是1/2<110>(Perfect)位错与1/6<112>(Shockly)位错在裂尖前方塞积抑制了裂纹的扩展。

TiAl涂层中孔洞对微裂纹影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法分析单孔洞与多孔洞状态下TiAl涂层内部机理变化,构建涂层模型,进行拉伸模拟,得到了应力-应变曲线和能量变化,并通过实验结果加以验证。结果表明:Ti Al涂层内微裂纹会沿预设孔洞方向扩展;基于模拟进行DXA分析,在拉伸作用孔洞诱发裂尖产生1/6〈112〉型位错,裂尖不断向[110]和[ī10]晶向发射位错,位错塞积导致微裂纹扩展到一定程度,产生1/6〈110〉型位错,位错运动相互抵制,抑制裂纹向前扩展。当单个孔洞在裂纹右上30°时,系统应力极值最大,微观结构中的其他原子结构和FCC晶体结构向HCP和BCC晶体结构转变,体现出孔洞对微裂纹扩展的引导作用增强。当体系存在多个孔洞时,体系的应力极值最小,拉伸过程中原子结构转变增加的较少,裂纹扩展较快,致使涂层开裂失效。

FeNiCu合金中温度对微裂纹扩展影响的分子动力学研究

为了研究FeNiCu合金微裂纹在不同温度下扩展时发生的力学性能及微观机理变化,运用分子动力学方法,在300、500、700、900 K和1100 K的温度下,对含有微裂纹和位错的FeNiCu合金模型进行了单轴拉伸模拟;使用可视化软件,对拉伸过程中FeNiCu合金的微观结构演变进行了分析;结合应力应变曲线以及能量变化曲线,着重分析了温度对FeNiCu合金微裂纹扩展微观机理的影响。结果表明,温度越高,合金内原子间距越大,微观结构越不稳定;随着温度的升高,合金的塑性得到提高,其微观缺陷在单轴加载下得到一定程度的愈合,可维持较为稳定的力学性能;当温度升高时,加强位错滑移,加剧位错的发射及运动,而位错塞积更容易形成微裂纹,使位错在滑移方向<110>多处塞积形成微裂纹扩展。

基于分布位错法研究多条微裂纹对偏折主裂纹的影响

目的 采用理论方法求解多条微裂纹对偏折主裂纹的影响,重点分析偏折主裂纹尖端的力学行为及微裂纹对主裂纹扩展角度和闭合区域的影响等问题,为实际的工程应用提供理论依据。方法 运用叠加原理将主问题分解成2个子问题,通过材料力学方法求解子问题一;基于分布位错方法求解子问题二。进一步建立关于位错密度的奇异积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积分法解决位错密度方程的奇异性问题,并通过计算机编写程序,最终得到相关力学参量的数值解。结果 得到了偏折主裂纹附近的应力场以及微裂纹长度、微裂纹个数对偏折主裂纹尖端应力强度因子的影响等相关力学参量。分析了主裂纹不同偏折角度时的闭合区域,以及微裂纹的方位角、微裂纹个数等对偏折主裂纹扩展角度的影响。结论 裂纹面对拉应力有屏蔽作用,导致拉应力在裂纹面附近应力松弛,而裂纹尖端对拉应力有放大作用,随着应力增加将导致裂纹的扩展。一条微裂纹位于主裂纹尖端约–30°<θ<50°时,将使主裂纹尖端应力强度因子增加,促进主裂纹的扩展,而微裂纹位于50°<θ<90°或–90°<θ<–30°时,将使主裂纹尖端应力强度因子减小,抑制主裂纹的扩展。主裂纹尖端应力强度因子随微裂纹长度的增加而变大,随微裂纹与主裂纹间距离的增加而减小。

精锻齿环凸键微裂纹的原因分析及预防措施

为了解决锰黄铜同步器齿环精密锻造过程在凸键圆角处的裂纹,通过金相显微镜观察了裂纹试样的金相组织,利用数值模拟技术对整个齿环的精密成形过程进行模拟分析。从锻件材质和工艺角度分析微裂纹产生的原因并探究了解决措施。结果表明,圆角处锻造过程应力、应变较大是产生裂纹的主要原因。调整锻造温度可以消除该锻件在锻造过程中所产生的显微裂纹。该结论在实际生产中得到了相应的工程验证。

XP-endo Shaper和ProTaper Next对弯曲根管成形能力及微裂纹形成的影响

目的:运用显微CT(Micro-CT)评价ProTaper Next(PTN)和XP-endo Shaper(XPS)对弯曲根管成形能力及微裂纹形成的影响。方法:收集16颗2个独立近中根管的下颌磨牙,共32个根管,弯曲度为25°~35°。采用2种新型镍钛器械(PTN和XPS)进行预备,记录预备时间。预备前、后用Micro-CT扫描,并进行三维重建,对根管偏移、轴中心率、体积增加量、管/根宽度比和微裂纹发生率进行分析。采用SPSS 22.0软件包对数据进行统计学分析。结果:预备后XPS组在距根尖1、3、5、7 mm水平根管偏移较PTN组小,在1、3、7 mm水平轴中心率较PTN高,具有统计学差异(P<0.05),轴中心率在5 mm水平两者无显著性差异(P>0.05)。XPS组预备时间显著少于PTN组(P<0.05)。2种器械预备后体积增加量、管/根宽度比无显著差异(P>0.05)。2种器械预备后均无新裂纹产生。结论:PTN与XPS均能安全、有效预备下颌磨牙重度弯曲根管,而XPS在预备成形方面具有更好的中心定位性及更高的预备效率。

焊接微裂纹缺陷对顶板与纵肋构造疲劳性能影响研究

为研究焊接微裂纹缺陷对正交异性钢桥面板顶板与纵肋构造疲劳性能的影响,首先采用扫描电子显微镜对实际桥梁结构的焊接断面进行缺陷检测,统计分析微裂纹尺寸和分布特性,然后基于既有试验和有限元分析方法,结合断裂力学理论,评估不同微裂纹缺陷对构造细节劣化效应的影响,并分析焊接微裂纹关键特征参数对构造细节疲劳性能的影响。结果表明:顶板与纵肋构造的焊趾及焊根处普遍存在微裂纹缺陷,焊根处微裂纹尺寸(平均值150.7μm、标准差100.8μm)大于焊趾处(平均值29.8μm、标准差17.4μm);顶板与纵肋构造细节主导失效模型主要由微裂纹尺寸决定;构造细节疲劳寿命直接由焊接微裂纹尺寸决定,其疲劳强度为100~200 MPa;疲劳裂纹最终扩展方向与焊接微裂纹初始角度无关,仅受实际受力状态影响。

选区激光熔化成形Fe-Mn-Cr-Ni中熵合金的微裂纹形成机理及成形质量调控

研究了Fe-Mn-Cr-Ni中熵合金在选区激光熔化(SLM)制备中的微裂纹形成机理,并通过优化单道、块体成形试验中激光功率(P)和扫描速度(v),以激光能量密度为评估参数,调控微裂纹形成从而提升成形质量。结果表明:微裂纹可分为微孔聚集性裂纹和热裂纹两类,其中微孔聚集性裂纹与孔隙引发的应力集中有关,热裂纹是由于Mn元素偏析及热应力所引起的。通过减少孔隙形成和控制能量输入可抑制微裂纹形成。随着线能量密度(E_(L))的增加,单道表面形貌先变优后变差,熔池尺寸逐渐增大,熔池模式由传导向过渡再向匙孔模式转变。当E_(L)为0.29~0.40 J/mm时,单道整体形态和熔池尺寸可满足致密块体成形要求。较高体能量密度(E_(V))下微孔聚集性裂纹和热裂纹均会存在,较低E_(V)下以微孔聚集性裂纹为主,提高E_(V)有助于优化块体表面质量,而块体试样的相对密度随E_(V)的增加先上升后下降。在优化的E_(V)=65.10 J/mm^(3)(P=175 W,v=640 mm/s)下,块体试样的内部微裂纹得到有效抑制,表面质量优异,相对密度可达99.71%。

石英玻璃亚表面微裂纹的偏振激光散射检测方法

石英玻璃等光学硬脆材料在加工过程中不可避免地产生亚表面微裂纹,从而对光学元件的使役性能具有显著影响。因此,石英玻璃亚表面微裂纹的无损检测对于优化石英玻璃加工工艺进而提高加工质量具有十分重要的意义。提出了基于偏振激光散射(Polarized Laser Scattering,PLS)的石英玻璃亚表面微裂纹检测方法,搭建了PLS无损检测系统。通过压痕实验以20 mN,50 mN,100 mN压力制备亚表面微裂纹深度为5.27μm,9.7μm,15.42μm的压痕试样,使用PLS检测系统对压痕试样进行无损检测,探究PLS信号与亚表面微裂纹深度的对应关系。通过不同粒径磨粒(1~20μm)研磨制备亚表面微裂纹深度为1~10μm的研磨试样,发现研磨PLS检测信号与亚表面裂纹深度之间呈幂函数关系。搭建的PLS检测系统可以对深度小于10μm的石英玻璃亚表面微裂纹进行有效检测与量化。PLS检测系统检测结果可实现研磨石英玻璃微裂纹检测,进而为亚表面微裂纹控制及加工工艺优化提供指导。

双相钢铸坯微裂纹在冷轧的表现及控制

文章对双相钢铸坯微裂纹缺陷经过热轧、酸洗、退火后缺陷形貌进行了详细描述,并结合生产试验对DP780、DP980两个钢种的微裂纹缺陷的产生原因及控制方法进行了论述。微裂纹缺陷由于太过细小在铸坯、热轧钢卷表面均不可见;但是经过冷轧轧制,缺陷会放大延伸,最终在冷轧连退产品的表面形成不规则、带有黑色且有起点的树杈状线形缺陷。不同强度的双相钢裂纹缺陷产生的原因也不完全相同。对于冷轧整板面的树杈状裂纹缺陷控制的关键控制点有两个,一是着重关注铸坯浇筑过程中温度的均匀性,二是连铸过程中非金属元素尤其是N含量的控制。双相钢微裂纹缺陷受钢种特性影响不容易完全消除,但通过以上措施可以有效改善。

基于COMSOL的表面微裂纹超声非线性混频检测研究

为实现对表面微裂纹的超声检测,基于COMSOL构建含有表面微裂纹的超声表面波非线性响应几何模型,分析表面波混频频率的选择对调制效应的作用,研究不同裂纹长度、宽度以及传播距离对边频分量的影响,提出一种基于二次谐波分量和边频分量的表面微裂纹检测方法。结果表明:二次谐波分量可用于判断微裂纹是否存在,归一化边频分量能够对微裂纹进行定位和定量分析;微裂纹长度与边频分量之和呈现负相关关系,传播距离与边频分量之和呈现出线性负相关关系,其线性拟合曲线的相关性系数为0.963。