基于磁控溅射改善陶瓷涂层断裂韧性的研究进展

陶瓷涂层因其优异的耐磨、隔热等性能,被应用于各工程领域,但其断裂韧性差、质脆的特点严重限制了其推广应用。为了改善陶瓷涂层质脆的缺陷,研究人员采用了多种方法对其进行增韧改性,文中论述了陶瓷涂层的增韧方法以及对应机制,综述了磁控溅射原理以及调控其工艺参数、掺杂其他元素等方法对陶瓷涂层结构、应力、晶界等的影响。总结了目前陶瓷涂层断裂韧性与硬度不可兼得、增韧机制受涂层尺寸影响等研究难点,并从磁控溅射工艺参数、多种工艺和增韧机制协同增韧等方面对提高陶瓷涂层断裂韧性进行了展望。

输氢管线钢的断裂韧性评价方法探讨

氢能是从化石能源向低碳能源转换的有效途径,而管道输送是氢能发展最经济、高效的方法。针对氢气输送当前面临的氢脆问题,阐述了开展输氢管线钢氢相容性评价的必要性,通过分析比较目前采用的高压氢储运选材评价及设计规范,认为断裂韧性是相容性评价的重要指标。通过深入分析了各标准及规范对断裂韧性评价的差异性,发现K_(IH)评价中试样厚度的判据存在局限性,同时认为K_(JIC)是目前评价断裂韧性较为合适的方法,并讨论了试验气体对纯度的要求。建议统一相关标准中的术语及其物理内涵及测试方法和流程,提高试验数据测试效率及利用价值,助力氢能行业高效平稳发展。

X80管线钢焊接接头断裂韧性试验研究

采用单试样柔度法对X80管线钢及焊接接头进行了断裂韧性试验。结果表明,X80管线钢焊缝、热影响区及母材每3组试样断裂韧度平均值分别为286.08MPa√m、282.02MPa√m、290.46MPa√m,该种焊接工艺下的焊接接头各区断裂韧性相差不大。

BASCA热处理对TC10钛合金组织与断裂韧性的影响

本工作对TC10钛合金进行BASCA热处理(β退火+缓慢冷却+时效),通过改变BA温度(β退火温度),研究BASCA热处理对TC10钛合金微观组织与断裂韧性的影响。结果表明:BA温度对合金微观组织与断裂韧性起到决定作用,随着BA温度升高,合金微观组织类型由等轴组织转变为片层组织,断裂韧性不断增加,最大值为77 MPa·m^(1/2)。此外,研究了不同类型组织的裂纹尖端区域塑性变形量、裂纹扩展路径以及断口微观形貌,进一步揭示断裂机制。与片层组织相比,等轴组织的裂纹尖端区域塑性变形较大,裂纹扩展路径曲折程度较小。等轴组织的断口形貌光滑平顺,主要由韧窝构成;片层组织的断口形貌凹凸起伏明显,韧窝数量与尺寸均减小,并出现撕裂棱、空洞以及二次裂纹。

Ti、Zr和Hf元素协同优化Nb-Si基合金显微组织、相组成和室温断裂韧性

采用真空电弧熔炼制备Nb-16Si-xTi-yZr-zHf (x=18, 22;y=0, 4;z=0, 4;摩尔分数,%)合金并研究Ti、Zr与Hf元素对Nb-Si合金物相组成、显微组织、断裂韧性以及裂纹扩展行为的影响。结果表明:单独添加4%Zr元素能促进(Nb,X)3Si向Nb固溶体(Nbss)/γ-(Nb,X)5Si3共析反应的发生;同时添加Ti、Zr、Hf元素能进一步促进共析反应的发生。裂纹倾向于在(Nb,X)3Si中扩展,当裂纹途径Nb固溶体时会发生偏转。细密的Nbss/γ-(Nb,X)5Si3共晶组织以及层状Nbss/γ-(Nb,X)5Si3共晶组织可以使裂纹产生桥接与分支,阻碍裂纹的扩展。Nb-16Si-22Ti-4Zr-4Hf的合金化元素含量最高,因此,其室温断裂韧性最好(11.62 MPa·m1/2),相较于Nb-16Si-18Ti提高87.7%,性能的提升主要归因于存在层状共晶组织。

焊接方法对X90管道环焊接头断裂韧性的影响

为准确获取X90环焊接头的断裂韧性,采用改进的规则化法对X90环焊接头的低约束单边缺口拉伸试件进行断裂韧性测试,分别从手工焊、自保护药芯半自动焊和气保护药芯半自动焊焊接的X90管道环焊接头中提取测试试件,进行断裂韧性试验.结果表明,相同焊接方法下,浅裂纹试件所得阻力曲线比深裂纹试件所得阻力曲线低;热影响区的深裂纹试件具有最高的裂纹扩展阻力曲线,而热影响区的浅裂纹试件具有最低的裂纹扩展阻力曲线;焊缝区试件在试验中极易发生脆断,具有相对较差的断裂性能,并且受焊接方法影响较大,其中气保护药芯焊丝半自动焊的焊缝区试件全部发生脆断.因此,气保护药芯焊丝半自动焊在实际X90管道工程应用中作为参考方法需要优化,这对保持X90管道结构的完整性至关重要.

3D打印CFRP-Ⅰ型层间断裂韧性的断层替换测试法及参数化分析

为实现3D打印碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)Ⅰ型层间断裂韧性的测试分析,并量化评价打印参数对该型断裂韧性的影响规律,推进3D打印CFRP技术在桥梁工程中的应用,分别从试验及仿真角度开展了相关探索。首先,提出了一种新型的3D打印CFRP层间预制裂纹制备方法-断层替换法,利用该方法开展了系统性的试验研究,分析了两类关键打印参数对Ⅰ型层间断裂韧性的影响规律。其次,基于内聚区理论及surface-based cohesive关系,构建了各类打印工况下的预制裂纹试件双悬臂梁(double cantilever beam,DCB)试验的仿真模型,并完成了仿真计算与试验测试的对比分析。结果表明:3D打印CFRP的Ⅰ型层间断裂韧性随着打印温度及速度的提高而增大,且打印温度对断裂韧性的影响更显著,当温度由245℃升至285℃时,断裂韧性提高了294.6%;当速度由20 mm/s增至60 mm/s时,断裂韧性提高了27.6%;当打印温度与速度提高时,试件在打印过程中热量散失更小,Ⅰ型层间力学性能得到提高;但当打印速度过大时,印材在打印过程中无法完全沉积并实现较好的黏结,反而对Ⅰ型层间力学性能造成负面影响。同时,仿真结果与试验数据的相对误差均控制在15%以内,表明提出的断层替换法在I型层间断裂韧性试验数据获取方面是合理且稳定的。因此,该方法可为后续量化评价3D打印CFRP桥梁工程构件的层间力学性能提供试验技术支撑。

基于Berkovich压痕应变能量密度的钢材断裂韧性评价方法

为改善压痕法测试断裂韧性过程中测量标准不同和精度不足的问题,基于临界压痕能量(Critical indentation energy, CIE)法,提出了基于Berkovich压痕应变能量密度(Strain energy density, SED)评估钢材断裂韧性的方法。同时考虑弹性和塑性能量并修正临界总压深,评价了9种钢材的韧性。结果表明,发现仅考虑塑性能量所测量韧性的相对误差在5%~20%,而本文同时考虑弹性和塑性能量所测量韧性的相对误差在5%以内。同时,确定临界总压深的拟合范围需要避开材料近表面弹性模量上升的区域,改善了基于CIE法使用Berkovich压头评估钢材断裂韧性的精确度。

裂纹长度对PBX代用材料表观断裂韧性Kc的影响

表观断裂韧性(Kc)是表征高聚物粘结炸药(PBX)抵抗裂纹萌生和裂纹扩展的重要材料性能,研究表观断裂韧性Kc的尺寸效应对预测不同尺度的PBX的起裂及失效行为具有重要意义。通过中心裂纹巴西圆盘(CSTBD)试验,对PBX代用材料的表观断裂韧性Kc的尺寸效应特性进行研究,通过断裂试验研究了不同裂纹长度(2,4,6,8,10 mm)对CSTBD试样表观断裂韧性Kc的影响。并采用了传统的最大切应力(MTS)准则以及考虑Willimas级数高阶项系数和断裂扩展区(FPZ)长度预估模型的修正最大切应力(MMTS)准则,对PBX代用材料的表观断裂韧性Kc的尺寸效应解释。结果发现,随着裂纹长度的增加,Kc从0.139 MPa·m0.5增长至0.251 MPa·m0.5,并且随着裂纹长度的增加Kc趋于稳定。在使用A3项修正的FPZ长度预估模型下,相较于传统的MTS准则,使用MMTS准则能够很好地解释PBX代用材料表观断裂韧性Kc的尺寸效应。

大型乏燃料运输容器球墨铸铁材料断裂韧性统计分析研究

目的研究大型乏燃料运输容器用球墨铸铁材料的断裂韧性,进而给出工程应用中评价断裂韧性的建议。方法通过对顶部和套料试样进行断裂韧性测试,获得不同位置试样的断裂韧性数据。分别采用双参数威布尔分布和正态分布进行统计分析,验证2种分布方法在断裂韧性测试中的适用性,分析大断面球墨铸铁低温断裂韧性对材料参数预期指标的满足情况。结果大型乏燃料运输容器用球墨铸铁材料断裂韧性数据满足威布尔分布及正态分布的要求,国产容器的断裂韧性均远高于各国际标准。结论完成了首次国产大型乏燃料运输容器用球墨铸铁筒体铸件材料低温断裂韧性分析评价,系统地掌握了断裂韧性情况,为容器结构设计、材料选择、失效模式分析和缺陷评定提供了依据。

湿热环境对复合材料层间断裂韧性的影响规律及其机理

层间断裂韧性是表征复合材料抗层间分层扩展能力的主要指标,湿热环境是飞机复合材料结构面临的主要严酷环境,研究湿热环境下的层间断裂韧性在航空领域具有重要意义。通过不同湿热环境条件下的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性实验,分析其微观结构,获取湿热环境对树脂基复合材料层间断裂韧性的影响规律和湿热环境对层间断裂韧性的影响机制。结果表明:湿热环境会对树脂基复合材料Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性产生截然相反的影响,随着温度上升,树脂基复合材料层压板Ⅰ型层间断裂韧性呈上升趋势,而Ⅱ型层间断裂韧性呈下降趋势;Ⅰ型分层时会出现大量纤维桥联现象,湿热环境下树脂发生软化,纤维桥联现象增多,导致Ⅰ型层间断裂韧性随温度升高而增大;湿热环境下随着温度的升高,树脂的剪切强度会逐渐降低,树脂与纤维的界面剪切强度也会逐渐降低,导致Ⅱ型层间断裂韧性随温度升高而降低。

EH36厚壁海上风电用钢及其焊接热影响区的断裂韧性研究

目的开发大壁厚抗断裂、耐不同线能量焊接EH36海上风电用钢,满足深水海上风电平台的服役需求。方法试制了80 mm厚的EH36海上风电用钢,研究了不同温度下EH36的断裂韧性变化规律,并进行了7 kJ/cm和50 kJ/cm线能量的焊接试验。通过裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,评估母材及焊接CGHAZ的断裂韧性。使用光学显微镜和电子显微镜对其微观组织及其CTOD试样断口形貌进行表征和分析。结果EH36的断裂韧性在−10~−30℃区间内保持较高的值,−40℃为该材料的韧脆转变温度,此时断裂模式从韧性断裂转变为脆性断裂,但其临界CTOD平均值仍高于标准要求。此外,7 kJ/cm热输入的CGHAZ临界CTOD平均值为0.658 mm,其微观组织主要由针状铁素体组成,50 kJ/cm热输入的CGHAZ临界CTOD平均值为0.468 mm,其微观组织主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成。在电镜下观察到CGHAZ内含有大量由Ti的氧化物组成的高熔点夹杂物,大量针状铁素体在其周围形核并生长,可有效提升CGHAZ的断裂韧性。结论所开发的EH36厚壁海上风电用钢具有优越的抗断裂性能和焊接性能。

陶瓷材料断裂韧性的高效评价方法的探究

近几年新兴陶瓷产业不断拓展,如芯片用高导热陶瓷基板等,推动着材料性能测试技术走向批量化和高效化。断裂韧性是陶瓷材料的一个重要力学性能指标,但现有测试技术存在测试结果误差较大、制样过程繁琐、效率低等问题,使其在工业研发设计及生产中受到一定程度的限制。笔者综述了材料韧性的相关测试技术及对应测试指标包括断裂韧性、断裂能、J积分、冲击韧性等,对比分析了常见陶瓷材料的断裂韧性及其相关力学性能指标,以寻求一种高效的准确的评价方法;考量了陶瓷材料的抗弯强度的适用依据和适用范围,并通过相关文献数据验证其准确性。而笔者将为批量化工业研发设计和陶瓷材料生产过程中的韧性评价提供新的思路。

准β锻造和β热处理对TC11组织和断裂韧性的影响

研究了准β锻造和β热处理对TC11钛合金显微组织和断裂韧性的影响。结果表明TC11钛合金经准β锻造及β热处理后断裂韧性相较于魏氏组织明显提升,延伸率提升约50%,断面收缩率提升约20%,KIC提升约20%。由于准β锻造改变了层片状α相的析出形态,形成了取向差异化明显的束集,抵抗裂纹扩展的组织协调性更佳,从而使得断裂韧性更优;而魏氏组织试样主要以晶界和大片次生α相增加裂纹扩展曲折性。

聚合物基透明导电薄膜断裂韧性的测量方法

在航空透明件领域,厚聚合物基底上透明导电薄膜的断裂韧性是量化抗开裂性的关键力学特性,因此基于纳米压痕和通道开裂试验评估了薄膜的断裂韧性。采用磁控溅射法将氧化铟锡(ITO)薄膜沉积在聚碳酸酯(PC)基底上。纳米压痕试验中,纳米压痕在ITO薄膜上引起脆性断裂,通过对所得的载荷-深度曲线进行积分来计算断裂韧性;通道开裂试验中,使用原位拉伸法获得开裂应变,并结合力学模型计算断裂韧性。结果表明,不考虑残余应力时,2种测试方法获得了相对一致的断裂韧性,500 nm厚ITO薄膜的断裂韧性为1.62~1.81 MPa·m^(1/2);对于200 nm以下厚度的薄膜或存在大残余应力的薄膜,宜选择通道开裂试验以确定断裂韧性。

19Cr-17 Ni-5Mn-4Mo奥氏体不锈钢焊缝金属超低温断裂韧性试验研究

为了解决托克马克核聚变装置D型线圈盒19Cr-17 Ni-5Mn-4Mo奥氏体不锈钢焊缝金属4.2 K超低温断裂韧性值偏低和不稳定的问题,通过使用不同的焊接线能量、焊道布置、道间温度和清洁度控制等条件下进行焊接试验,探索了这些焊接变数对焊缝金属超低温断裂韧性的影响规律;并采用金相分析、EBSD和断口电镜扫描等表征方法研究了微观组织与超低温断裂韧性内在关系,为优化焊接工艺提供了理论基础。研究结果表明:通过降低焊接线能量和层间温度来细化晶粒和减少析出相,及通过提高氩弧焊气保护质量、加强道间清理和优化焊道布置等措施来提高焊缝纯净度和均匀性等措施可以有效提高焊缝的低温断裂韧性。

吸湿及烘干对复合材料共胶接断裂韧性的影响

已固化的复合材料层板在存放过程中会吸收环境中的水分,继而对复合材料的胶接性能造成影响。通过I型断裂韧性表征共胶接性能,针对两种T800级碳纤维增强环氧树脂基复合材料待胶接层板进行吸湿及烘干处理,接着采用两种胶膜材料(M型及E型)制备共胶接试验件,开展I型断裂韧性测试,得到待胶接层板的吸湿曲线,待胶接层板吸湿后的胶接性能变化规律,以及烘干后胶接性能的恢复情况。试验结果表明:随着吸湿时间的延长,待胶接层板的吸湿率增加,层板1的最大吸湿率和吸湿速率都明显高于层板2;同时随着吸湿率增加,共胶接层板的断裂韧性降低,且M型胶膜的胶接性能始终强于E型胶膜的胶接性能;通过将待胶接层板进行烘干处理可以较大程度恢复复合材料的胶接性能,因此可选择合适的烘干工艺以解决吸湿后胶接性能下降的问题,但烘干处理无法使吸湿后的层板1与E胶膜胶接的试验件胶接性能恢复。

复合材料圆柱壳体的层间断裂韧性分析

针对复合材料圆筒的层间性能分析,通过双悬臂梁试验(Double Cantilever Beam,DCB),得到了复合材料I型层间开裂与载荷对应关系,并根据GIC计算公式得到了材料I型断裂韧性。通过三点弯试验(EndNotched Flexure,ENF),计算了材料II型断裂韧性。建立了有限元模型,将I型断裂韧性、II型断裂韧性代入材料本构模型参数,对该结构层间性能设计与评估提出理论指导。

湿度对共胶接复合材料层间断裂韧性的影响机制

前期研究表明,已固化的复合材料层板在存放过程中会吸收环境中的水分,继而对复合材料的胶接性能造成影响,但湿度影响复合材料共胶接性能的机制尚不清楚。通过I型层间断裂韧性(GIC)表征共胶接性能,将三种有代表性的T800级碳纤维预浸料在不同吸湿条件下进行处理后,分别与两种胶膜进行胶接,测试复合材料共胶接性能,探究不同预浸料层板的吸湿差异及后续共胶接性能的差异,最后采用扫描电镜观察试验件的断面形貌,探讨待胶接板吸湿后,共胶接复合材料胶接性能下降的原因。试验结果表明:三种材料层板的吸湿率与时间的开方呈近似线性关系,满足菲克定律,但吸湿速率和吸湿量有所不同;吸湿后三种复合材料的GIC发生不同程度的下降,且两种胶膜匹配下的复合材料胶接性能下降程度有差异。通过扫描电镜观察,分析得到待胶接板吸湿后共胶接复合材料的内部结构变化,探究了不同材料和不同胶膜匹配时胶接试验件的失效机制。

压力容器材料冲击韧性与断裂韧性关联性研究综述

材料的冲击韧性和断裂韧性是评估其使用时的可靠性和安全性的重要参数。夏比冲击试验是一种常用的材料冲击韧性测试方法,具有操作简便、试验快速和成本较低等优点,被广泛应用于工程实践。然而,夏比冲击韧性与CT试样断裂韧性之间的关系一直都备受关注。简要介绍了目前常用的材料冲击韧性估算材料断裂韧性的两种方法:经验公式法和Weibull统计方法。根据相关文献可知,夏比冲击试验是一种常用的材料韧性测试方法,可以用于评估材料的断裂韧性。经验公式法和Weibull统计方法都可以用于估算材料的断裂韧性参数,且各有优缺点。因此,在实际应用中,需要根据具体情况选择合适的方法进行材料韧性评估,从而提高数据的准确性和可靠性。