陶瓷基复合材料基体裂纹偏转能量释放率研究

采用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算了基体裂纹在界面处不同传播路径的能量释放率,并结合基于能量释放率的裂纹偏转准则对陶瓷基复合材料基体裂纹偏转进行了研究.计算了弹性错配参数α和β、基体裂纹扩展长度a、基体裂纹相对扩展长度ad/ap对裂纹偏转的影响,并将VCCT计算结果与积分法的计算结果进行比较.结果表明:VCCT能够准确计算基体裂纹扩展时的能量释放率,计算结果可为研究陶瓷基复合材料失效机制提供一定参考.

T2紫铜-45钢电子束焊双材料界面性能与裂纹偏转

焊接接头性能与缺陷一直是焊接材料相关课题的重要方面,大量的研究描述了焊接材料的接头性能与特征,但异种焊接材料的界面与开裂问题研究并不充分.文中对T2紫铜-C45钢电子束焊接双材料界面强度和裂纹开裂的问题,首先采用标准拉伸和三点弯曲试验,得到该材料焊缝区抗拉强度、屈服强度、弹性模量参数,并依此计算判断出断裂韧性值;其次对拉伸和三点弯曲试验试样的宏观和微观断口分析,表征其断口形貌特征,得出断口断裂类型为准解理和沿晶脆性复合断裂模式;基于试验分析结果对裂纹开裂偏转路径进行讨论,得出裂纹沿焊缝区扩展并偏向T2紫铜端;最后以实测参数为基准,基于ABAQUS有限元分析得出三点弯曲试验下焊缝区的裂纹扩展和偏转方向结果,为该种异种金属焊接材料接头性能的提升提供了依据.

典型加筋板结构面内裂纹偏转与扩展行为分析

为研究筋条截面形式和多部位损伤对整体加筋板裂纹偏转行为和断裂特性的影响,采用断裂力学和有限元方法对其进行分析.首先建立整体加筋板疲劳裂纹扩展模型,通过与裂纹扩展速率试验进行比较验证模型可靠性;在此基础上讨论筋条截面形式对裂纹断裂参量和转折行为的影响;最后对多裂纹问题进行研究.结果表明:筋条截面形式对断裂参量的影响并不显著,裂纹偏转行为在远离筋条区域扩展时发生的可能性最大;多裂纹情况下裂纹并不会转折,而是笔直扩展进而连通成一条大裂纹,同时由于相邻裂尖的强烈干涉,造成应力强度因子剧增,加速裂纹扩展,进而严重缩短了扩展寿命,因此需采用有效的修补手段来提高结构的剩余强度和使用寿命.

基于三维XFEM计算的非匹配异种接头裂纹偏转验证

现有完整性评定将异种接头分为母材、焊缝、母材3个部位,然而低匹配接头实际存在母材、热影响区(HAZ)、交界面、焊缝4个部位。以CF62(母材)-316L(焊材)组合的低匹配接头为例,对其进行结构细分,对该低匹配接头进行断裂韧度试验时,裂纹向软质焊缝区偏转。笔者建立了低匹配接头的异质材料(交界面和HAZ)扩展有限元(XFEM)模型,对裂纹的偏转现象进行数值模拟,通过对不同匹配比(M=0.3~1.0)热影响区进行扩展有限元模拟,研究不同匹配比下裂纹偏转过程和含异种界面的J积分值,分析匹配比和裂纹偏转对接头断裂韧度的影响。结果表明:低匹配接头形式可提升HAZ的断裂韧度,断裂韧度随着匹配比的增大而增大;裂纹偏转现象会影响裂纹长度的测量,裂纹发生偏转后接头的断裂韧度有所下降。

孔洞对疲劳裂纹扩展路径的影响

为了研究孔洞位置和尺寸对疲劳裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS有限元仿真软件建立改进CT试样的裂纹扩展仿真模型,采用扩展有限元法研究了在低周疲劳加载条件下Q235钢圆孔与裂纹尖端的角度、距离以及圆孔半径对裂纹扩展路径的影响,并通过引入裂纹偏转系数来定量描述不同参数对裂纹扩展路径偏转程度的影响。结果表明:当圆孔与裂纹尖端的夹角为45°时,裂纹偏转系数取得最大值;裂纹偏转系数随着孔洞半径的增加逐渐增大,随着圆孔与裂纹尖端距离的增大逐渐减小。

力学失配对电子束焊接接头疲劳裂纹扩展行为的影响

研究了高温合金电子束焊接接头区的疲劳裂纹扩展行为 ,深入分析了接头区力学失配对疲劳裂纹扩展方向及疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明 ,由于力学不均匀性的影响 ,电子束焊接接头的疲劳裂纹扩展具有不稳定性 ,位于高匹配焊接区的疲劳裂纹偏离原裂纹扩展方向 ,跨越焊接区与母材 ,呈复合型扩展 ;焊接区疲劳裂纹的偏转使得裂纹尖端有效应力强度因子减小 ,从而焊缝区裂尖局部有效裂纹扩展驱动力下降 ,导致接头的疲劳裂纹扩展速率下降 ,故此高匹配接头对疲劳裂纹扩展有一定的屏蔽作用 ;疲劳裂纹扩展强烈地受裂纹尖端塑性区尺寸和形状影响 ,含疲劳裂纹的焊接结构完整性主要取决于低流变应力区材料的韧性。

含倾斜弱面介质中动态裂纹扩展行为研究

为研究冲击荷载下运动裂纹遇到介质中倾斜弱面后的动态断裂行为,采用霍普金森杆作为冲击加载装置,利用高速相机记录倾斜弱面介质中运动裂纹的扩展过程,并结合数字图像相关方法对裂纹周围应变场的演化过程、裂纹尖端的开裂应变以及裂纹的扩展速度进行了分析。结果表明,在冲击荷载下,运动裂纹在遇到弱面后易偏向弱面扩展,裂纹偏转后的开裂应变和扩展速度都显著提高。此外,应力加载率对运动裂纹的扩展有显著影响。随着加载率的提高,动态裂纹沿弱面扩展一定距离后将再次进入基质扩展,且运动裂纹沿弱面扩展的偏移距离逐渐减小。在高加载率下,裂纹沿弱面扩展的速度基本保持稳定,但再次穿过弱面后的裂纹数量和长度不断增加。在相同加载率下,弱面的强度越低,裂纹沿弱面扩展的距离越长。

单边偏置裂纹相互作用的实验研究

为研究脆性介质中裂纹相互作用对裂纹扩展形态的影响,以有机玻璃(PMMA)为相似材料,采用动态焦散线实验方法开展了三点弯冲击动力学实验研究。结果表明:冲击荷载条件下,裂纹间相互作用影响裂纹起裂时间、裂纹尖端应力场以及裂纹偏转方向。裂纹相互作用使得裂纹起裂时应力强度因子K d I降低,起裂所需能量累积时间缩短;裂纹扩展初始阶段,单偏置裂纹尖端应力场剪应力分量为正,应力强度因子K d II大于0,单边偏置平行双裂纹相同位置处裂纹尖端应力场剪应力分量为负,K d II小于0;裂纹距离中心位置10 mm的情况下,单偏置裂纹起裂后向内侧偏转,单边偏置平行双裂纹相同位置处裂纹向外侧偏转。

水平井多裂纹同步扩展的偏折分析

水平井压裂技术是近几年油气工业发展起来的新技术,用于提高油气井的产量。然而在裂纹扩展的过程中,裂尖决定了裂纹的起裂与扩展方向,这会直接影响储层的压裂效果,所以人们对于这项技术还需要更进一步的认识。根据裂尖的应力场特性建立了裂尖权函数,能较准确地描述裂尖的应力状态,判断裂纹的扩展方向。在利用网格重剖分方法并结合最大主应力准则对水平井多裂纹扩展进行分析的基础上,通过裂尖权函数方法分析了水压裂纹在应力差、裂纹数目和裂纹间距等条件下产生偏折的原因。最终结果表明,裂纹在开裂时裂尖处x与y方向的等效应力变化不明显,裂纹的偏折主要与裂尖xy方向的等效应力有关。

涂层式裂纹监测系统中基体裂纹穿越行为研究

建立了智能涂层的两相模型与三相模型,基于能量准则分别用这两种模型研究了基体裂纹达到涂层界面后的穿越/偏转行为.用有限元法分析了相对裂纹扩展长度、弹性错配参数及界面层厚度对偏转裂纹与穿越裂纹能量释放率之比的影响,结果表明当基体裂纹到达驱动层与基体界面时,能量释放率之比不仅与基体和驱动层之间的弹性错配相关,而且当驱动层较薄时对驱动层与传感层之间的弹性错配亦有较强的依赖性.此外,随着驱动层厚度的增加,能量释放率之比对驱动层与传感层之间的弹性错配的依赖性逐渐降低.通过与实验结果相比,建立的模型能够较好的解释基体裂纹在界面的扩展行为,可用于智能涂层裂纹传感器的优化设计.

He-Hutchinson模型在连续陶瓷纤维增韧陶瓷基复合材料研究中的应用

基于裂纹扩展的能量释放率准则,He-Hutchinson(H-H)模型可以预判连续陶瓷纤维增韧陶瓷基复合材料(CMCs)的基体裂纹在界面处的传播路径,对CMCs的增韧设计有着重要的指导价值,但目前尚未见H-H模型在CMCs研究领域的系统性综述文献。本文首先介绍了H-H模型的力学基础以及应用于CMCs中的必要简化过程,得出基于材料组元断裂能和弹性失配系数的裂纹偏转判据。基于目前形成的材料微观力学参数测量方法,结合CMCs脆性、微观结构复杂的特点,系统总结归纳了适用于CMCs的原位弹性模量、材料断裂能以及界面脱粘能的测量方法及优缺点。基于原位微观力学参数,重点综述与讨论了H-H模型在多孔基体CMCs和含界面相CMCs中的应用进展,最后指出了H-H模型目前存在的主要问题,并对其后续发展提出了建议。

高熵碳/氮/硼化物陶瓷的增韧研究进展

高熵碳/氮/硼化物陶瓷因其出色的热稳定性和耐腐蚀性备受关注,然而由于其固有的脆性导致其断裂韧性相对较低,容易在受到外力作用时发生断裂,这限制了其在工程领域的应用。目前对于增韧高熵碳/氮/硼化物陶瓷的系统性综述还较为缺乏。因此,本文总结并对比了高熵碳/氮/硼化物陶瓷材料的增韧技术,并深入介绍了增韧的机制。这些增韧机制通常是多种机制的综合作用,形成协同韧化效应。未来高熵碳/氮/硼化物陶瓷应用前景广阔,可以在多种领域作为不可替代的高性能产品。

Ti/TiAl异质叠层结构的强化机制、制造现状与未来发展趋势

Ti/TiAl微叠层材料体系具有优异的强韧性及高温性能,该体系可有效克服钛铝合金制备与加工过程中的突发性开裂等弱点。综述了Ti/TiAl叠层结构的制造方法、强韧化机制及典型失效方式。研究表明,叠层复合结构相较于传统单一材料或非连续增强复合材料,通过多材料的韧性差异和多层界面的引入,其强韧性得到明显提升。主要强化机制为复合结构多材料的韧性差异及多层界面的引入,使得裂纹扩展过程中发生偏转与产生二次裂纹,裂纹的偏转和桥接效应消耗了主裂纹的尖端能量,抑制主裂纹持续扩展。这种结构突破了传统强度-塑性约束,为材料科学和工程领域带来了新的发展方向。

B_4C-TiB_2复相陶瓷的强韧化研究

采用热压烧结工艺，制备了B4C－TiB2复相陶瓷．结果表明，复相陶瓷的抗弯强度、断裂韧性和显微硬度受第二相Tib2颗粒的影响．其中B4C－30vol％TiB2材料的弯曲强度为725MPa，比单体B4C提高65％，B4C－45vol％ThB2材料的断裂韧性为6．7MPa.M(1/2)，比单体B4C提高84％，由B4C基体和TiB2颗粒热膨胀系数不匹配导致的残余应力是B4C－TiB2复相陶补强增韧的主要原因．

ZrB_2颗粒增韧B_4C陶瓷的原位合成

采用机械混合法无压烧结原位合成ZrB_2/B_4C陶瓷复合材料,研究了ZrB_2含量对复相陶瓷主要性能的影响,分析了复相陶瓷的增韧机理．结果表明,当ZrB_2的体积分数为16%时,相对密度最大约为94%,维氏硬度为39．5 GPa,抗折强度为320 MPa,断裂韧性为3．10 MPa·m^(1/2)．由B_4C基体和ZrB_2颗粒热膨胀系数不匹配引起的裂纹偏转是ZrB_2/B_4C复相陶瓷增韧的主要原因．

二维石英纤维增强多孔Si_3N_4-SiO_2基复合材料的制备及其力学性能

采用浆料法结合真空浸渗工艺,制备了二维(2D)石英纤维增强多孔Si3N4-SiO2基复合材料。采用X射线衍射技术就粘结剂种类和氮化硅的加入对材料析晶性能的影响进行了分析,采用扫描电镜对不同浸渗次数复合材料的截面和断口形貌进行了观察,并采用裂纹偏转因子对复合材料断裂模式进行了分析。结果表明,粘结剂中杂质Na+促进了石英析晶,而Si3N4对石英析晶影响不大。增加浸渗次数虽不能有效提高复合材料强度,但却使裂纹偏转因子变小,断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变,断口形貌由纤维成束拔出变为多级拔出。

Si_3N_4-TiN/BN层状陶瓷材料阻力曲线及其增韧机制的研究

通过压痕小裂纹直接量测法获得Si3N4-TiN/BN层状复合材料的阻力曲线 ,并采用指数经验公式拟合处理了实验数据 ,解释了各拟合参数的物理意义 .对层状复合材料阻力曲线所具有的独特的台阶状进行了分析 ,并对层状复合材料具有高韧性的机理作了深入的研究 .结果表明弱间层的层状结构具有明显的增韧效果 .这是由于弱间层的存在将出现裂纹偏转现象 ,吸收大量的断裂功 ,从而大幅度提高了裂纹的扩展容限 ,使断裂韧性有较大增长 .

Si_3N_4/BN纤维独石陶瓷阻力曲线的研究

通过压痕小裂纹直接测量法获得 Si3N4/BN纤维独石陶瓷的阻力曲线 ,采用指数经验公式拟合了实验数据 ,对纤维独石陶瓷阻力曲线具有的独特的阶梯状进行分析 ,并对纤维独石陶瓷具有高韧性的机理作了研究通过压痕小裂纹直接测量法获得 Si3N4/ BN纤维独石陶瓷的阻力曲线 ,采用指数经验公式拟合了实验数据 ,对纤维独石陶瓷阻力曲线具有的独特的阶梯状进行分析 。

不同应力水平下5A06铝合金的疲劳断口研究

通过采用金相显微镜,扫描电镜和能谱分析研究了5A06铝合金高周疲劳断口的微观特征。研究结果表明:该合金在疲劳极限附近发生疲劳断裂时,裂纹主要萌生于杂质粒子与基体的界面结合处,较高应力水平下疲劳裂纹的萌生呈现多源性,并且裂纹主要起源于杂质粒子自身的开裂。随着应力水平的提高,裂纹的偏转路径更加复杂,疲劳辉纹间距不断增大,断口中疲劳裂纹扩展区所占比例减少。疲劳裂纹扩展的初期,疲劳微裂纹的偏转主要取决于相邻晶粒间有利滑移面的方向。

SiC晶须增韧Al_2O_3－（Ti，W）C陶瓷材料增韧机理的研究

改善陶瓷材料的脆性是陶瓷研究领域里急待解决的关键性课题。本文在Ａｌ２Ｏ３－（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ复相陶瓷中加入不同含量的ＳｉＣ晶须以提高基体材料的断裂韧性。研究表明，ＳｉＣ晶须增韧Ａｌ２Ｏ３－（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ复相陶瓷的断裂韧性与烧结密度、晶须含量等因素有关，增韧效果与晶须和基体的复合密切相关，增韧机制主要是裂纹偏转和裂纹桥接机制，同时，Ａｌ２Ｏ３与（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ形成的双骨架结构亦使断裂韧性得到提高。