固体中的扩散应力研究

固体中原子的互扩散行为导致的扩散应力不仅可以引起材料的宏观变形,而且可能在材料内部形成特殊的微观组织．系统阐述了固体中原子扩散与应力之间的相互作用问题,区别了应力扩散与扩散应力的概念,并通过流点体积生长率的推导,建立了互扩散区域内流点应力、应变与原子扩散流之间的变量关系,提出描述固态互扩散区域内扩散应力与应变的一般理论．在此基础上,分析了固态反应周期层片型结构的形成机理和薄片扩散偶的扩散弯曲问题,并提供了相应的理论解释．

低温气体环境下316L不锈钢渗碳浓度与扩散应力的数学模拟分析

利用316L不锈钢在低温气体环境下渗碳浓度与扩散应力的分析结果,建立了基于扩散理论的数学模型。结果表明,试验钢在低温气体环境渗碳处理时,保温时间越长,渗碳层深度越深,碳浓度越低;在渗碳的过程中会产生扩散应力,扩散应力随着深度的增加而减小;扩散应力可增加碳的富集浓度和扩散系数,提高碳的扩散速度。

扩散应力诱导的锂离子电池失效机理研究进展

在锂离子电池的充放电过程中,由锂离子扩散过程产生的浓度梯度和活性材料锂化膨胀产生的变形会导致扩散应力。过大的扩散应力会造成活性颗粒的破裂、活性颗粒之间的分离、活性层的断裂以及活性层与集流体的分层等多种力学失效形式,并最终导致电池出现容量衰减、阻抗上升和寿命缩短等一系列失效现象。因此扩散应力及其诱导的锂离子电池失效机理已经成为锂离子电池研究领域的热点之一,具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文尝试从活性颗粒、活性电极、半电池、电池单元和电池单体等不同尺度,综述近年来与扩散应力诱导的锂离子电池失效机理相关的研究进展,介绍各尺度下扩散应力的产生机制和研究手段,分析扩散应力对电池力学和电化学性能的影响规律,梳理和总结扩散应力的影响因素,最后对该领域今后的研究方向与发展趋势进行了展望。

扩散应力对圆筒结构中渗C的影响

运用数值方法模拟C浓度和扩散应力沿壁厚方向随扩散时间的演变规律,研究圆筒结构在平面应变情况下扩散应力对渗C的影响.结果表明:扩散应力增大了C的有效扩散系数,从而加速了质量传递的过程;当扩散时间一定时,C浓度和平均浓度随着圆筒外径与内径比值的增大而减小.圆筒中内表面渗C导致径向应力从内壁到外壁始终为压应力,周向和轴向应力在内壁附近为压应力,在外壁附近为拉应力.

圆筒中渗碳诱发的扩散应力分析

以菲克第2定律为基础,研究了表面碳浓度恒定时碳由圆筒内表面向外表面扩散的浓度分布情况.运用固体力学理论推导在平面应变条件下圆筒中各扩散应力分量的表达式,分析了圆筒中渗碳诱发的径向应力、周向应力和轴向应力沿壁厚的分布规律,并讨论了圆筒内、外半径比对碳浓度及其扩散应力分布的影响.结果表明,圆筒的内、外半径比对其渗碳表面的碳浓度和扩散应力分布的影响不同.当圆筒的内、外径一定时,其渗碳表面的碳浓度随着渗碳时间增加而增大;径向应力始终表现为压应力;周向和轴向的应力分布相似,并在渗碳初期,处于圆筒内表面周向、轴向的应力达到最大值;随着渗碳时间的延长,从内表面向外表面渗透的过程中,其应力状态逐渐由压应力转变为拉应力.

薄板模型中渗碳诱发的扩散应力分析

基于文献数据,拟合得到渗碳后炉管径向碳浓度分布曲线方程,渗碳产生的膨胀应力可以等效成温差产生的温差应力,简化成二维薄板模型。结果表明:薄板的临气侧因渗碳而引起了一定的压应力,中间部位主要以受临气侧膨胀而产生的拉压力作用为主,表现出拉应力,背气源侧则主要受临气侧和中间部位的弯曲应力为主,表现出压应力。

锂电池电极充电扩散应力力学机理分析

本文对锂电池电极材料、制备及充电内应力的计算进行了阐述。通过实验测试了锂电池充放电性能,探索了电化学测试与力学研究之间可能的联系,从而得出理论依据提高锂电池容量。

基于Gibbs自由能变的柱形梯度电极扩散应力研究

柱形梯度电极是新型锂电池电极之一。考虑了应力变化对吉布斯自由能的影响,得出梯度电极材料的扩散方程与力学方程。以Li_(1.2)(Mn_(0.62)Ni_(0.38))_(0.8)O_2为例,为了讨论在恒压条件下梯度电极材料非均匀性对应力的演化影响,将电极的扩散系数、杨氏模量和偏摩尔体积三个参数视为柱坐标系下径向坐标的线性函数。结果表明,导致电极材料力学退化的环向拉应力得到了明显的降低。这项研究为降低柱形梯度电极材料的扩散应力提供了有用的理论指导。

三元软包锂离子电池放电过程扩散诱导应力与热应力对比研究

为了明晰锂离子电池在放电过程中产生的扩散诱导应力和热应力对电池的影响,使用Comsol Multiphysics 6.0建立了18.5 Ah软包NCM111锂离子电池的电化学-力-热耦合模型,基于该模型对不同放电倍率下电池的负极颗粒中心表面锂浓度差、扩散诱导应力、热应力及膨胀行为进行了仿真分析。扩散诱导应力可通过一维电化学模型及其衍生的颗粒维度进行仿真分析,而热应力则需要通过三维固体力学和传热模型进行仿真。研究结果表明,随着放电倍率的增加,电池产生的扩散诱导应力和热应力都会增大,因此,低放电倍率有助于降低电池产生的应力。负极颗粒产生的扩散诱导应力与颗粒中心表面锂浓度差相关,颗粒中心与表面的锂浓度差随着放电过程的进行逐渐增大。将一维模型中的负极视为由无数负极颗粒组成的线段,放电前期,靠近隔膜端的颗粒中心与表面锂浓度差高于集流体端,放电后期则相反,这个变化发生的转折点在放电深度为60%~70%之间。这也意味着放电前期隔膜端的负极颗粒产生的扩散诱导应力大于集流体端的负极颗粒,也更容易破裂,而放电后期则相反。负极颗粒产生的扩散诱导应力大小为兆帕级,远高于电芯产生的大小为千帕级的热应力。同时,电芯产生的热应力和最大位移与电池温差呈线性关系,随着放电倍率的增加而增大。值得注意的是,与圆柱形电池不同,软包电池的极耳与电芯连接处会产生较大的热应力。本研究对比分析了软包NCM111锂离子电池放电过程产生的扩散诱导应力与热应力,为电极和电芯的制造及应力监测提供理论支撑。

基于理论承载性能与应力扩散计算的高强预应力锚索适配垫板设计方法

垫板是高强预应力锚索系统的核心组成构件,当其与锚索间适配性不足时,会出现结构可靠性低以及围岩支护效果差等问题。基于垫板的承载力学特性及其应力扩散作用,提出适配高强预应力锚索的垫板设计方法。为此,首先分析垫板的应力扩散作用与锚索的支护效应间的关联性。其次,基于不同形式垫板的结构受力特征,提出碗形垫板和平板形垫板的理论承载力计算公式,并由此计算得到满足高强预应力锚索承载性能需求的垫板型式及其结构参数。接着,通过建立“垫板(碗形、平板形)-围岩”三维数值仿真模型,分析不同型式及结构参数垫板的围岩应力扩散效果,并由此优选得到适配高强预应力锚索的垫板型式及其结构参数。最后,通过现场应用案例,分析适配垫板下高强预应力锚索系统支护效果。研究结果表明:提出的垫板设计方法实现了对高强预应力锚索系统中垫板的有效选用,适配加载300 kN的高强预应力锚索系统垫板为25 cm×25 cm×16 mm的碗形垫板,其拱高35 mm、孔口半径32 mm、碗底半径75 mm;同时,适配垫板下高强预应力锚索系统的围岩变形控制效果提升了11.9%~15.2%。研究结果有助于提升高强预应力锚索系统的可靠性与支护效果,并为预应力锚固系统中垫板的设计提供了一种可行且有效的方法。

多层硬壳软土地基竖向附加应力扩散计算方法分析

硬壳软土地基附加应力扩散作用是软弱下卧层承载力验算中不可忽视的问题。为弥补规范中应力扩散角θ取值范围的局限性,文章通过算例及数值模拟对比分析叶氏法与传递矩阵法等多种计算方法,确定出规范法中土层压缩模量比Es1/Es2=1~3时θ的取值;然后提出基于土层分层变形加权平均的等效压缩模量法,将多层硬壳软土地基中的多层硬壳转化为单一硬壳,进而采用补充规范法进行应力扩散计算,并就工程实例进行验证。结果表明,当Es1/Es2取1、z/b分别取0.25与0.5时,θ可分别取0°和6°;通过PFC2D模拟验证了等效压缩模量法具有较好的准确性。

外载对球形颗粒电极锂化过程的扩散影响

锂离子电池在使用过程中不可避免地受到外部机械载荷的作用,而这种载荷会对电池产生重要影响。基于小变形和线弹性等理论建立了在外部机械载荷作用下的球形颗粒电极锂化过程的力化耦合模型。计算结果表明,随着扩散持续,外部应力梯度对扩散过程的影响逐渐增大,稳态时球心处锂离子浓度低于球表面处浓度。正应力梯度对离子的扩散具有抑制作用。而对于复杂形式的外载,稳态时锂离子浓度沿径向呈现非线性不均匀分布状态。

不锈钢低温气体渗碳的C浓度与扩散应力测量与计算

开展316L奥氏体不锈钢块状试样低温气体渗碳实验,测量渗碳层内沿深度方向的C浓度和应力的大小及分布;基于应力-扩散耦合作用理论,建立渗碳后渗碳层内的C浓度和应力分布的计算模型,利用该模型计算上述渗碳实验后试样沿深度方向的C浓度和应力分布,并将模型计算结果和实验结果进行比较.结果表明,低温气体渗碳后钢在表层产生一层含高C浓度的渗碳层,渗碳层内重现高的压应力,C浓度和压应力均在表面处最大,随着深度的增加而逐渐降低,压力和浓度的大小之间呈直线关系;考虑应力-扩散的耦合作用的扩散计算模型计算得到的C浓度分布和实验测量结果符合的较好,表明扩散引起的应力在低温气体渗碳的C扩散中扮演重要角色;扩散压应力的产生显著增加了C的表观扩散速度,在低温气体渗碳等类似的渗碳或氮的扩散机制研究中,需考虑扩散引起的扩散压应力与扩散之间的相互作用关系.

焊锡接点IMC层的扩散应力

钎焊过程中在焊锡接点中形成的金属间化合物(IMC)对焊锡接点可靠性具有重要影响.在原子扩散效应下,回流焊和等温时效过程中IMC层的生长会在其内部产生应力,其微结构也发生变化,致使IMC层和整个焊锡接点的力学性能下降.论文基于扩散反应机制,研究了由于原子扩散产生的IMC层的扩散应力.首先建立了描述焊锡接点IMC层生长早期微结构特征的2界面(Cu/Cu6Sn5/Solder)分析模型,然后运用Laplace变换法求解扩散方程得到了Cu原子在IMC层中的浓度分布;采用把原子扩散作用转换为体应变方法,计算了IMC层在形成和生长过程中应力的解析解.结果表明:IMC层中的扩散应力为压应力,最大值位于Cu/IMC界面处,大小与扩散原子浓度密切相关;随着时效时间的增加,扩散应力增大,但最终趋于稳定并沿IMC厚度方向线性变化.

电动汽车锂离子电池碳负极扩散应力与微观结构失效机理研究

扩散应力易引起电极体积变化、电极颗粒破裂和脱落,导致电极材料失效,从而引起锂离子电池容量的衰减。为探究不同材料厚度和放电倍率下的扩散应力规律以及扩散应力与微观结构破坏间的关联性,采用试验与仿真相结合的方法进行相关研究。首先,制备3种不同厚度(25、36、48μm)的石墨负极,与三元正极组装成纽扣全电池;其次,以相同充电倍率(0.2C)、不同放电倍率(1C、2C、5C)在25℃下进行循环测试,为模型验证及微观测试提供样本;随后,根据电化学及扩散力学原理建立电化学-力耦合模型,并通过不同倍率放电工况对模型进行验证;进一步,利用控制变量法,基于所建模型研究不同材料厚度与放电倍率下扩散应力的规律;最后,基于电镜扫描和X射线衍射测试,对循环后的负极形貌及微观结构进行表征,结合模型仿真研究扩散应力与负极微观结构的破坏关联性。研究结果表明:随着放电倍率增大或材料厚度减小,扩散应力增大、负极损坏程度加深,可根据拉伸屈服强度将扩散应力与微观结构变化关系分为2个阶段;进一步,引入剥落指数定量描述微观结构失效,发现剥落指数与扩散应力之间存在幂函数关系。研究结果可为揭示扩散应力与容量损失之间的关联性提供思路。

碳扩散和扩散应力的相互影响分析

论文详细给出了线弹性小变形条件下金属渗碳过程中碳元素扩散与扩散应力之间的耦合方程,利用该方程研究了平面应变条件下渗碳与扩散应力之间的相互关系,结果表明耦合关系对于碳扩散与扩散应力都有显著的影响,其中联系主应力与碳浓度的弹性相容关系是最为主要的影响关系,在不考虑其他弱耦合关系的条件下,它可以使碳扩散方程和静力平衡方程解耦.

考虑扩散应力项的弯道平面二维水流数学模型

借鉴弯道水流流速沿垂向分布的研究成果,在二维浅水方程的基础上计入沿垂线方向变化的流速与沿水深平均流速之差引起的扩散应力项,在正交曲线坐标系下建立了平面二维水流数学模型.对Rozovskii 180°弯道的计算表明,本模型计算结果比不考虑扩散应力项的模型更如实地反映了弯道水流特性,对扩散应力项的分析表明其在二维弯道水流模拟中发挥很大的作用.

复合地基的平面应力扩散效应

对于柔性或半刚性悬桩复合地基 ,下卧层的沉降量在总沉降中占有相当大的比例 ,但目前常用的沉降计算方法中用均匀或双层地基应力场来代替复合地基应力场 ,前者导致计算值和实测值间存在较大的误差 ,后者虽然能反映复合地基的应力扩散特性 ,但在概念上存在明显的不合理之处。针对此问题 ,本文在用弹性地基梁理论分析平面应变条件下复合地基应力扩散效应机理的基础上提出了应力扩散系数的计算公式。该公式结构简单 ,参数易得 ,结合分层总和法可计算下卧层沉降 ,便于实际应用。

加筋垫层应力扩散特性试验研究

采用数值试验方法研究加筋垫层的应力扩散特性。首先提出一种基于附加应力反算的加筋垫层应力扩散角计算方法,然后应用该方法研究了加筋垫层应力扩散角的单因素影响规律。表明加筋垫层应力扩散角的范围为45～60°,且加筋垫层设置参数和筋材参数都存在最优值,其对应的应力扩散角最大,最后应用正交试验和多元回归分析方法研究了加筋垫层应力扩散角的多因素影响规律,分析结果表明筋材的间距对应力扩散角变化的影响最大,其次是筋材的首间距,筋材长度对应力扩散角的影响最小,所得到的加筋垫层应力扩散角综合计算公式可为工程实践提供参考。

硬壳层软土地基竖向附加应力扩散的数值分析

应用有限元方法分析了硬壳层厚度、变形模量和路堤等效荷载的宽度对硬壳层软土地基竖向附加应力扩散的影响,并计算出考虑上述影响因素的软土地基的应力扩散角。结果表明:竖向附加应力扩散范围随硬壳层的厚度而扩大,随着硬壳层变形模量的增加而扩大;当硬壳层厚度和变形模量一定时,随着荷载作用宽度的增加,其扩散竖向附加应力的作用在减小。