非均质材料力学研究进展：热点、焦点和生长点--ICHMM2008的观察和启迪

本文结合第二届国际非均质材料力学会议(ICHMM2008,黄山)专题讨论会和部分特邀报告的情况,以及2011年5月22～26日在上海崇明岛举行的ICHMM2011国际会议的内容,对该领域的研究进展及其热点、焦点和生长点进行了综合性的评述.重点讨论了多物理场与多尺度模拟、材料结构与力学行为从原子到连续介质的分析、随机微结构演化与退化、真实材料微结构的模拟、生物材料力学与仿生设计、在位实验和模型验证、功能梯度材料结构力学、微纳米功能器件开发等前沿性课题.其中特别用较多的篇幅讨论了多物理场与多尺度模拟的背景、目标、必要性、现有方法的优缺点、障碍、应用例子与其他前沿研究领域的联系及其发展态势,并阐述其研究焦点与值得注意的进展.

具层状细观结构的PD3珠光体钢的细/宏观力学分析

对层状细观结构的ＰＤ３ 珠光体钢进行了细／ 宏观分析。基于层片界面间应力、应变相容条件和复合材料混合律，得到了层状均匀夹杂的本构方程。联合这些方程与Ｋ－ Ｂ－ Ｗ 自相容模型建立了细观与宏观间的转换。由此得到在单调和循环载荷下材料的整体响应和细观结构局部应力的演化。分析发现在薄渗碳体层中局部应力很高。这是由于软铁素体层在循环载荷下其塑性流动不断增强使载荷转向硬相。由笔者推得的强度与微结构层厚度尺寸平方根成反比的定律解释了渗碳体层高强度的原因。

土的内时本构模型及其与经典塑性模型的关系

本文对内时理论在土壤中应用的三个基本问题进行了讨论,首先对Valanis(1982年)在一个较粗略的假设上推得的本构方程进行了分析,在考虑细观不均匀弹性变形和不同耗散机制的基础上,建立了一个简明的力学模型,由此重新获得了适用于描述土壤偏斜响应与水压响应的内时本构方程,该方程由一项只与当前组织构造状态有关的函数与一项考虑历史影响的遗传积分之乘积组成。其次利用该组方程和Valanis关于岩土内时量度的定义求得了在p—q空间中描述的屈服面形状及其影响因素,并由此求得了它们与帽盖模型和清华弹塑性模型的关系。第三部分简单讨论了正文流动法则的适用性。

非均匀材料力学:学术思想及研究趋势

针对非均匀材料力学当前的8个前沿性课题,以各国科学家在第一届国际非均匀材料力学会议(ICHMM)相关专题讨论会上的发言及总结为红线,介绍了当前国际上在材料／固体力学交叉领域内的一些新的学术思想及研究方向.对多尺度模拟,新的计算方法,纳米力学,微结构概率力学,广义连续介质力学理论,材料设计,多孔材料和材料就位特性的试验技术等的综合性叙述,阐明了非均匀材料力学的一些新的生长点及其发展方法与前景.

蛤蜊壳的层状微结构与陶瓷/聚合物复合材料的仿生研究

对蛤蜊壳的扫描电镜实验观察表明蛤蜊贝壳主要是由无机质的文石和有机质的蛋白质两相材料构成,其构成方式是文石和蛋白质的薄片交替层状的组合.观察也发现在蛤蜊壳中存在弯曲的文石薄片等结构特征.用文石纤维拔出的概念分析说明了蛤蜊壳高断裂韧性的原因.

生物自然复合材料的结构特征及仿生复合材料的研究

经过若干世纪的选择进化 ,生物自然复合材料昆虫外甲壳的细观结构高度优化 ,使其具有种种优良的性质。本文研究了昆虫外甲壳的细观结构特征 ,这些结构特征为人工合成复合材料提供了一些有益的启示。按在昆虫外甲壳中发现的双螺旋铺层结构和纤维绕孔铺层结构 ,用玻璃纤维和环氧树脂制备了仿生铺层复合材料 ,比较实验表明 ,仿生铺层复合材料比常规铺层复合材料有更高的强度和断裂韧性。

金龟子外甲壳的纤维增强特征和树枝状分叉纤维结构

在扫描电镜下观测了昆虫金龟子外甲壳的微结构特征,发现金龟子外甲壳是一种以几丁质纤维增强角质化蛋白质为基体的层状复合材料,其增强纤维的铺层平行于外甲壳的表面,具有包括螺旋铺层和分叉纤维在内的多种微结构特征,通过与人工合成复合材料的比较,分析了这些结构特征的强韧机理,测量并研究了金龟子外甲壳中的树枝状分叉纤维结构及其拔出力.结果表明,树枝状分叉纤维结构比普通直纤维结构具有更大的拔出力.

胫骨生物复合材料多级微纳米结构的韧性机理

目的研究胫骨生物复合材料多级优良微纳米结构的韧性机理。方法利用扫描电镜观察胫骨成骨的多级微纳米结构。通过多级微纳米结构模型分析揭示胫骨的韧性机理。结果胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的、具有多级微纳米结构的生物复合材料。在不同尺度下的微纳米结构模型分析表明胫骨多层微纳米结构增加了胫骨的断裂能,而羟基磷灰石纤维片的交叉微结构以及羟基磷灰石纳米纤维片的长细形状尺寸增加了纤维片的拔出能。结论胫骨多级优良微纳米结构赋予胫骨高的断裂韧性,可用于仿生复合材料设计。

PD3钢轨钢接触疲劳行为研究

在最大接触应力为１３４１ＭＰａ、滑差率为１０％及油润滑的试验条件下，对在线全长余热淬火、热轧及稀土处理三种状态的ＰＤ３钢轨钢的接触疲劳行为进行了测定。通过对失效试样的分析，对钢轨钢的接触疲劳机制进行了探讨。试验结果表明，在线全长余热淬火工艺大大提高了ＰＤ３钢轨钢的接触疲劳抗力。

世界首次非均匀材料力学国际会议

国际非均匀材料力学会议(简称ICHMM)于2004年6月21-26日在重庆市及长江“神州”号轮船上分两阶段进行。第一阶段是传统性的国际会议，它通过11个大会报告及32个分组会议以揭示当今非均匀材料力学的进展。第二阶段则针对8个前沿性的研究领域进行专题讨论以探索新的研究方向。

PD3钢轨钢接触疲劳变形组织的TEM观察

在透射电镜下观察接触疲劳失效后不同状态的ＰＤ３ 钢轨钢的变形组织。结果表明，接触疲劳变形组织的主要特点是：珠光体片层间距减小；珠光体团被剪切分割成亚团、先析铁素体内形成位错胞结构；铁素体／渗碳体界面上存在高的位错密度；珠光体中渗碳体片发生变形与断裂。同时对珠光体片层间距与变形组织的关系进行了分析讨论。

PD3钢轨钢接触疲劳裂纹扩展行为研究

从滚动－滑动接触应力场出发，考虑残余应力和裂纹面间的摩擦力，对ＰＤ３钢轨钢提出了一个简单实用的接触疲劳裂纹扩展模型．计算结果表明，裂纹扩展的有效驱动力随残余压应力及裂纹面间摩擦力的增大而减小，实验结果与理论计算结果基本吻合．

铸造镁合金弹塑性多尺度模型数值分析

为了实现应力与应变等力学量跨不同尺度的定量转换,并获得跨微/细/宏观的多尺度有效本构方程,利用MTS材料实验机对镁合金(AM60)和美国通用汽车公司提供的纯镁基体进行了力学性能测试,得出镁合金和基体材料的力学性能参数,采用混合物定律,得到相应的颗粒材料力学性能.根据镁合金(AM60)结构特点,建立具有复杂内部结构(任意夹杂形状)的镁合金体胞的有限元模型,夹杂和基体的材料性能分别选用颗粒材料和纯镁基体材料力学性能参数.通过对镁合金体胞的有限元数值分析,该方法克服了目前解析法建立多尺度模型的局限性.利用所发展的多尺度本构模型对镁合金AM60的单向拉伸过程进行了数值计算,结果与实验数据吻合较好.

金属基复合材料制造浇铸过程的数值模拟

以轴对称的浇铸模型为研究对象，运用有限元法对用预制模法制造金属基复合材料的浇铸过程进行了数值模拟，它考虑了液态金属的对流传热，计及了金属凝固所释放的潜热，得出了温度变化曲线、流动前沿进程线及固相率分布曲线等基本结果；分析了工艺参数对浇铸的影响。

混合强化材料的损伤演化律及内时损伤本构方程

在Ｇｕｒｓｏｎ理论基础上，通过对空洞模型的分析，推导出各向同性／运动混合强化材料的损伤演化和弱化函数的表达式，并将其嵌入内时本构框架，得到了损伤弹塑性大变形内时本构方程。编制了相应的轴对称有限元分析程序，用其分析圆柱拉伸试件的颈缩，得到与实验较为吻合的结果。

基于圆柱形孔洞体胞模型分析的铸造镁合金ML316本构描述

假设在铸造镁合金材料中的微孔洞具有圆柱形的形状,然后隔离一个圆柱形微孔洞,建立圆柱形微孔洞体胞模型,在基体不可压条件下,得到圆柱形微孔洞的演化方程。根据圆柱形微孔洞体胞模型的速度场得到其应变场,进而基于材料内时本构理论,定义与材料孔洞弱化相关的内蕴时间,得到考虑变形强化和孔洞长大弱化的材料弹塑性本构方程。发展相应的有限元分析程序及数值算法,用其描述铸造镁合金试件在拉伸载荷作用下的应力与应变、塑性变形与材料孔隙率的关系以及试件缺口前缘孔隙率的变化,分析结果与实验结果有较好的一致性。

剪缩土的内时本构模型

本文对内时理论在土壤中应用的三个问题进行了研究。首先,用微观扰动弹性概念和合理定义内蕴时间,建立一种新的内时本构模型,用以描述剪缩土的基本力学特性;其次,探讨了内时本构模型的破坏和屈服问题,详细研究了破坏函数F(σ,θ)的数学表达式与土破坏准则的关系;最后,讨论了只用一条静水压缩曲线和一条常规三轴压缩曲线确定模型参数的方法与步骤,并用粘土试验资料检验了模型。

自生长Al_2O_3—Al复合材料的制造及形成机理研究

熔融态铝合金表面的Al_2O_3膜在一定工艺条件下可被破坏,由于毛细管作用,内部的金属液将沿着膜上的破缺处上升至表面并产生新的非致密氧化膜。该过程具有自组织特征,一定时间后可在液态合金表面形成一定厚度的自生长Al_2O_3-Al复合材料。材料中Al_2O_3含量可在20％-80％的范围内变化而其性能,尤其是硬度和抗拉强度可有较大提高。

单晶铁电畴反转的简化模型

建立具有钙钛矿结构铁电材料的基本电畴结构类型及电畴反转系的表示方法;将电畴反转类似为晶体塑性理论的位错运动,采用内时理论的类似方法,提出一个较简便的电畴体积分数的演化方程,能综合考虑到反转驱动力、180和90反转的不同形式、电畴体积分数及反转的变形历史等对反转的影响.对不同外加力电载荷条件下单晶材料的响应进行了模拟计算,能较好反映铁电材料的电位移与电场强度、应变与电场强度、应力与应变、应力与电位移等的非线性力电耦合关系.

铁电单晶材料力电耦合性能模型

铁电材料是一类典型的非线性材料。作者借助晶体塑性理论的方法 ,采用铁电畴结构的非完全连续反转模式 ,考虑畴壁移动的能量耗散与外力做功及内能变化的平衡关系 ,建立起单晶铁电材料的电畴反转模型 ,以期作为确立多晶铁电陶瓷本构关系的基础。计算结果表明该模型能较好地描述铁电单晶地非线性力电耦合行为。