合金材料超高周疲劳行为的基本特征和影响因素

合金材料在超高周疲劳下具有与低周和高周疲劳不同的裂纹萌生和扩展行为以及不同的S-N曲线特征.材料的强度、循环加载的频率、所处的环境等都显著影响超高周疲劳的特性.本文综述了合金材料超高周疲劳行为的基本特征和影响因素的研究进展.

合金材料超高周疲劳的机理与模型综述

在循环载荷作用下,合金材料发生裂纹萌生、扩展直至断裂的周次在10~7以上的过程被称为超高周疲劳(very-high-cycle fatigue,VHCF).本综述将从30年前超高周疲劳的研究起源讲起,直到近年的最新进展.引言之后的内容包括:超高周疲劳研究的起源,超高周疲劳的主要特征,超高周疲劳裂纹萌生特征区和特征参量,裂纹萌生特征区的形成机理与模型,超高周疲劳性能预测模型.在叙述中,试图回答下列问题:什么是超高周疲劳?为什么要研究超高周疲劳?超高周疲劳的关键科学问题是什么?超高周疲劳的S-N曲线趋势为什么发生变化?超高周疲劳裂纹为什么萌生于材料(试样)内部?裂纹内部萌生的过程和机理是什么?上述问题有的可以给出明确的回答,有的则是现阶段的最新结果,并有待于对问题的继续探索.

疲劳短裂纹萌生及发展的细观过程和理论

本文综述了疲劳短裂纹研究的进展和现状,包括关于短裂纹的属性,短裂纹萌生和发展的细观过程以及描述短裂纹行为的若干模型。

一种等应力试样中的疲劳短裂纹行为

设计了一种三角形试样,当施加弯曲载荷时,该试样等腰三角形段内的表面拉应力为常数。采用振动试验机对所设计的试样进行疲劳试验,以研究一种焊接金属表面疲劳短裂纹萌生和发展特征。结果表明,疲劳短裂纹起源于铁素体晶内的滑移带。随疲劳周次增加,短裂纹发展以裂纹密度不断增加为主要特征。短裂纹的汇合造成裂纹发展且裂纹路径以穿晶为主。

疲劳短裂纹的损伤特征和计算机模拟

对一种焊接用低碳钢的实验研究表明，疲劳短裂纹萌生于铁素体晶粒区域的滑移带，短裂纹数密度随疲劳周次不断增加．短裂纹的取向与所在铁素体晶粒的滑移位向相关。以所观察到的短裂纹特征为背景，用计算机模拟短裂纹的生、扩展、汇合的演化过程。模拟结果显示，短裂纹损伤导致断裂的临界指数具有很宽的分布带，而裂纹路径具有较稳定的分维数值。

再论超高周疲劳裂纹萌生特征区

关于合金材料超高周疲劳,笔者提出了裂纹萌生特征区及特征参数的概念,并提出了“大数往复挤压”模型揭示裂纹萌生特征区形成机理.对于高强钢,该特征区为断裂面的细颗粒区;对于钛合金,该特征区为断裂面的粗糙区.近年,关于合金材料超高周疲劳裂纹萌生过程与机理受到疲劳领域广泛关注,并有若干研究新进展.对此,有几个问题需要进一步论述,包括:(1)微结构细化并演化为纳米晶层的裂纹萌生特征区是发生在裂纹形成之前或之后?(2)特征区的形成与加载应力比的关系?(3)特征区纳米晶层的厚度、连续性和微结构细化程度?(4)特征区的形成是否需要真空环境?此外,不同高强合金和不同加载方式的特征区形态也有新的进展.本文将基于近年文献中的结果,对这些问题进行综合论述.本文还简要论述了裂纹萌生特征区概念和大数往复挤压模型的启示,包括:合金材料超高周疲劳特性的评估与预测、提高增材合金材料超高周疲劳性能的途径、制备纳米晶薄层材料的可能性.在郑哲敏先生仙逝一周年之际,以此文告慰我的导师郑先生.

郑哲敏对应用力学和技术科学的贡献

2004年10月2日是我们尊敬的郑哲敏先生八十华诞.是年9月29日,中国科学院力学研究所举办了隆重热烈的"祝贺郑哲敏先生八十华诞应用力学学术报告会".

疲劳与断裂中细观损伤的群体响应

实验中观察到，在疲劳短裂纹损伤阶段，损伤累积由众多的短裂纹萌生和发展而构成。对于韧性材料裂纹起始，实验中观察到裂尖前方孔洞群体损伤累积．依据损伤以群体方式发生和发展的特征，分别采用裂纹数密度守恒和孔洞数密度守恒的分析方法，探讨了疲劳短裂纹和裂尖前方孔洞群体损伤的演化过程和损伤累积行为。

力学研究所五十年

著名力学家钱学森冲破重重阻挠于1955年10月8日回到祖国,并与著名力学家钱伟长等一道于1956年1月16日创建了中国科学院力学研究所。50年来,力学所坚持钱学森倡导的“技术科学”思想,为力学学科的发展做出了自主创新、引领发展的重要贡献。已成为以国家重大需求为牵引、以基础性研究为本、在国际力学界有相当影响的国家力学研究基地。2005年12月6日中国科学院力学研究所举行了“庆祝中国科学院力学研究所建所50周年暨钱学森回国50周年大会”。本期刊出洪友士的“力学研究所五十年”等7篇大会报告,以饷读者,并以此向力学所和钱学森先生表示热烈祝贺。

水中悬浮隧道锚索在波流场中的涡激动力响应

建立了水中悬浮隧道的锚索在波流场中顺流向涡激振动的数学模型,并考虑了波浪作用下,悬浮隧道的运动引起的强迫激励和参数激励对锚索顺流向涡激振动的影响。应用Galerkin方法和数值积分法,计算分析外激励频率对锚索顺流向涡激振动的影响。计算结果表明,外激励作用下锚索顺流向涡激振动的振幅明显增大,且当外激励频率接近锚索一阶自振频率时,振幅达到最大值。

高压扭转铜试样的微观组织与压缩性能

通过高压扭转对铜试样施加不同程度的变形,研究了样品扭转面(ND面)和纵截面(TD面)上微观组织特征.对ND面,在较小的剪应变下,原始晶粒形貌模糊,晶粒内部形成等轴状的位错胞及亚晶结构;随变形量的增大,亚晶间取向差及亚晶内部的位错密度增大,最后形成亚微米尺度的等轴晶粒.对TD面,变形初期原始晶粒被拉长,晶粒内部为位错墙分割成的层状结构,层内为拉长的位错胞;随变形程度的增大,拉长晶粒的宽度减小,与剪切方向的夹角减小,晶内层状组织间距减小,并逐渐演化成拉长的亚晶组织;进一步增大变形,晶粒拉长痕迹消失,变形组织与ND面相似,为等轴状亚微米晶粒.压缩实验表明,经16圈扭转后,整个试样上的压缩性能基本均匀,σ_(0.2)达到385 MPa,应变率敏感性指数增大至0.021.

水中悬浮隧道研究进展

介绍了各国关于水中悬浮隧道的研究进展,主要包括:波浪和水流作用下水中悬浮隧道与流体相互作用的理论分析模型,波浪环境下水中悬浮隧道的锚固系统的涡激振动数值分析,地震激励下水中悬浮隧道的动力响应分析,水中悬浮隧道的结构问题,针对实际工程背景的波浪环境载荷下的模型试验及水流环境中水中悬浮隧道阻力系数、惯性力系数的试验研究。最后讨论了水中悬浮隧道尚需要进一步研究的问题:荷载的确定,结构分析和设计方法,针对性的模型试验,安全性研究等。

水中悬浮隧道锚索的非线性涡激振动研究

建立了水中悬浮隧道锚索在波流场中涡激振动的非线性数学模型,考虑了锚索的几何非线性对其涡激振动的影响,并应用有限差分法求解了锚索的运动控制方程。计算结果表明:锚索在顺流向和横向2个方向运动的耦合作用特别是几何非线性作用的引入,抑制了部分高阶模态的激发,使锚索横向涡激振动的振幅减小,顺流向振动的振幅增大;在悬浮隧道的振动引起的强迫激励和参数激励作用下,锚索顺流向涡激振动振幅显著增大,横向涡激振动出现"拍"的现象。

高压扭转致纯铜晶粒细化及与应变的关系

设计并加工了在材料试验机上使用的高压扭转夹持装置,并用装置获得了不同扭转变形量的纯铜试样．使用电子背散射衍射技术测量了处理后试样品粒尺寸沿径向的分布．对比分析了晶粒细化程度和应变量的关系,提出了一个描述晶粒细化的简单剪切球模型．结果表明,晶粒细化程度随着应变量的增大而增强,平均晶粒尺寸为原始平均尺寸的1/50．当剪切应变小于10时,晶粒尺寸随着剪切应变的增大迅速变小;当剪切应变大于10时,晶粒尺寸的变化趋于缓慢,晶粒细化程度与Stuwe等效应变之间有幂函数关系．依据简单剪切球形晶粒的模型,得到了晶粒细化程度随剪切应变增大而增强的规律,并与实验数据的变化趋势一致．

波浪场中水中悬浮隧道动力响应的研究

针对水中悬浮隧道在波浪力作用下动力响应的问题,通过Hamilton原理推导得到了悬浮隧道管段和锚索的运动控制方程,同时考虑了锚索横向和轴向变形之间的耦合作用,建立了悬浮隧道的动力响应模型,在时间域内采用逐步积分法迭代求解其运动控制方程。波浪力采用Airy线性波理论和Morison方程计算。计算结果表明:当锚索长细比较大时,锚索的自振模态会被激发,其横向和轴向变形之间的耦合作用不可忽略。随着入射波高或悬浮隧道重浮比的增加,悬浮隧道的横荡位移以及横摇角增大,但结构的垂荡位移以及锚索中的应力受波浪的影响较小。

超高周疲劳研究现状及展望

超高周疲劳是指疲劳周次达到 10 8及其以上时材料的疲劳行为。与一般认识的疲劳行为不同之处是 ,超高周疲劳发生在传统疲劳极限以下 ,因此研究超高周疲劳行为有助于进一步理解疲劳的本质和疲劳机理。文中综述近几年超高周疲劳研究的进展 ,包括超高周疲劳的典型特征 ,如S—N曲线的特点、断口特征、断面上的鱼眼形貌以及裂纹的起源与扩展特征等 ;分析疲劳机理和相关的模型以及简要探讨影响超高周疲劳的一些因素 ,如加载频率、加载方式、氢的作用等。

水中悬浮隧道在冲击载荷作用下的计算模型与数值模拟

建立了水中悬浮隧道在冲击载荷作用下的简化计算模型。用等效质量法将圆柱壳分布质量折算成冲击点处的集中质量,模型中考虑流体附加质量和系统阻尼的影响。根据碰撞过程中的动量守恒、变形过程中的能量守恒以及结构的位移与内力关系,得到问题的解析解。为验证解析解,在ANSYS/LS-DYNA中建立了动态冲击有限元分析模型。通过算例分别考察了在忽略和考虑流体附加质量两种情况下,冲击点位置和冲击速度对冲击点处最大径向位移的影响,将解析解与数值解进行对比,结果吻合较好。然后采用数值模拟方法得到了系统阻尼对计算结果的影响规律。数值模拟过程中还可以得到冲击点处的最大Mises应力。

微米/纳米尺度的材料力学性能测试

针对如何定量测定纳米、微米尺度及低维材料的力学性能，叙述了采用当今先进观测手段，结合设备特点和力学分析技术来评价材料的硬度、弹性模量、屈服应力、抗蠕变及抗疲劳性等力学性能的测试方法．

SPD纳米材料制备方法及其力学特性

剧烈塑性变形(severe plastic deformation,SPD)纳米化技术是近年来发展的一种力致材料纳米化方法.该方法克服了由粉体压合法带来的残余空隙、球磨法带来的杂质等不足,并且适用于不同形状尺寸的金属、合金、金属间化合物等,因此受到了越来越多的关注.介绍了SPD纳米材料的制备方法及相关纳米材料力学性能研究的现状,并展望了对SPD力致纳米材料的研究趋势.

水中悬浮隧道在波浪场中非线性动力响应的研究

针对水中悬浮隧道在波浪力作用下动力响应的问题,通过柔度系数法推导得到了悬浮隧道的等效刚度系数,考虑了不同自由度运动之间的耦合作用,建立了悬浮隧道管段的动力响应模型,在时间域内采用逐步积分法迭代求解其运动控制方程。波浪力采用Airy线性波理论和Morison方程计算。计算结果表明,在波浪力作用下悬浮隧道管段产生较大的横荡位移,且随着波频或锚索中预张力的减小,响应振幅增大。在悬浮隧道的动力响应分析中,若不考虑不同自由度运动之间的耦合作用,会过低估计垂荡响应的幅值。