Φ100mm SHPB应力均匀及恒应变率加载试验技术研究

大直径分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置被越来越多地应用于混凝土等脆性材料的高应变率力学性能研究，试件在破坏前，满足应力均匀分布要求，且保持恒应变率加载，是保证SHPB试验有效性及试验结果可靠性的关键。以提高试验结果准确性为研究目标，以C50素混凝土的SHPB试验为例，采用Ф100mmSHPB试验装置，对试验中的应力均匀及恒应变率加载技术进行研究，包括波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性检验。结果表明：厚度为1mm，直径分别为20mm、25mm、30mm、35mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果，可将入射脉冲上升沿的升时延长1～2倍，且波形呈半正弦状；应变率对于波形整形器的直径很敏感，随着整形器直径的增大，最佳近似恒应变率也在增加，一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率，且与整形器的直径之间满足线性函数关系。

疲劳荷载下大理岩累积损伤过程的应变速率响应

通过不同围压下4种应力比进行应力控制的大理岩等幅循环加卸载三轴压缩试验,探索疲劳荷载作用下岩石累积损伤过程中的应变速率响应特征。结果表明:①在低围压或高应力比条件下岩样易发生疲劳破坏。随循环次数增加,发生疲劳破坏岩样的弹性模量呈急速下降趋势,未发生疲劳破坏岩样的弹性模量小幅波动后趋稳。②加载过程中岩样轴向应变速率随应变发展呈"U"型演化趋势,体变速率随体变发展呈反"L"型演化趋势,临近破坏时轴向应变速率和体变速率均大幅增加。卸载过程中轴向应变速率呈倒"S"型演化规律,体变速率呈"U"型演化趋势。③每次加载的初始和终了应变速率各自均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,当次加载的初始应变速率可反映岩样在之前疲劳作用下的累积损伤程度。④新建立的归一化初始应变速率和损伤因子有明显的线性关系,系数K随围压增大或应力比值减小而减小。未破坏岩样在后期循环加载时的归一化初始应变速率和损伤因子曲线出现"弯钩"型回缩现象。

基于分数阶微积分理论的软土应力-应变关系

利用分数阶微积分理论提出等应变率加载情况下的软土应力–应变关系。关系式显示应力–应变之间呈乘幂函数关系。通过大量的常规(等应变率加载情况下)三轴试验验证基于分数阶微积分理论的软土应力–应变关系,同一种土的分数阶阶数β不随围压变化并能够反映土的"软硬"程度。试验发现,初始弹模与围压呈较好的线性关系。与邓肯–张模型相比,应力–应变的乘幂关系具有明确的理论基础,这一点与邓肯–张模型纯粹基于曲线形状相似的应力–应变双曲线假设形成鲜明的区别。创新点在于将软土看作介于理想固体和理想流体之间的物质进行研究,并用分数阶微积分理论给出应力–应变关系,这在以往的研究中都没有先例。

岩石SHPB测试中试样恒应变率变形的加载条件

从分析霍布金逊压杆测试中试样变形应力、入射应力、反射应力和透射应力的相互关系入手,获得满足试样恒应变率变形所需的加载条件,即只有当加载应力和试样的变形应力具有相同的变化规律时,试样变形才处于恒应变率状态。试验结果表明,整形器法和异形冲头法都能在一定程度上实现试样的恒应变率测试,双试样法实际是整形器法的一个特例。整形器法更适合于理想弹脆性岩类的测试,异形冲头法对具有幂函数型本构曲线岩类和未知本构特征材料的测试有利,并且可重复性好。能产生半正弦波的异形冲头法可减小波形弥散对测试结果的影响。

不同应力历史条件下软黏土强度时效特性

采用恒定剪切速率的室内试验,对经历不同应力历史的天然软黏土的不排水强度时效特性进行了研究,探讨了软黏土不排水强度的时效特性、有效应力路径、不同应力历史的影响和软黏土应变速率变化对不排水强度的影响规律和影响程度.为了消除土体各向异性对试验结果的影响,对同一土样采用了变剪切速率的试验方法.土样在剪切前,采用了不同应力路径进行固结.试验结果表明,在三轴压缩条件下,剪切速率每提高10倍,不排水抗剪强度平均提高9.7%;三轴拉伸条件下,剪切速率每提高10倍,不排水抗剪强度平均提高7.2%.

大直径分离式霍普金森压杆试验中的波形整形技术研究

采用直径100 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置,以碳纤维混凝土（CFRC）的SHPB试验为例,就试验过程中的波形整形技术展开研究,内容包括：波形整形器的设计、近似恒应变率的估算、最佳近似恒应变率的确定以及应力均匀性分析。结果表明：厚度为1 mm,直径分别为20 mm2、2 mm、25 mm2、7 mm3、0 mm的H62黄铜波形整形器对入射波形有明显的改善效果,可将入射脉冲上升沿的升时延长1-1.6倍;应变率对于波形整形器的直径很敏感,随着整形器直径的增大,最佳近似恒应变率也在增加,一个几何尺寸的波形整形器只能对应于一个最佳近似恒应变率,且与整形器的直径之间满足线性函数关系;应力不均匀系数能够有效地描述混凝土材料SHPB试验的应力均匀性。

常见应力腐蚀标准试验方法对比及应用

各种应力腐蚀评价方法的试样形式多样、加载方式各不相同,给从事科研和检测的工作者带来一定的选择困难。通过对恒位移法、恒载荷法和慢应变速率法等几种常见应力腐蚀试验方法进行对比分析,列出了各自的适用范围、评价指标及其优缺点,为科研和检测工作者科学合理地选择评价方法提供参考。

316Ti不锈钢环境敏感断裂起裂时间研究

采用慢应变速率（ＳＳＲＴ）和恒载荷（ＣＬＴ）试验方法，研究在压水堆（ＰＷＲ）一次侧工况下氯离子浓度、氧浓度、加载应力和应变速率对ＰＷＲ压力边界材料３１６Ｔｉ不锈钢环境促进起裂时间的影响。试验结果表明：起裂时间τ的对数ｌｇτ与载荷σ的对数ｌｇσ和Ｃｌ－浓度的对数ｌｇω（Ｃｌ－）皆呈良好的线性关系；产生应力腐蚀破裂（ＳＣＣ）的阈值应力与Ｃｌ－浓度和应变速率有关，随着Ｃｌ－浓度和应变速率的提高，阈值应力降低。

岩石拉压特征的相似性

通过近年来岩石力学的试验结果，其中包括单轴拉应力和压应力作用下不同岩石的完全应力－应变曲线、受拉强度和受压强度的载荷速度效应以及蠕变寿命随蠕变应力水平的变化等，研究了岩石在拉应力和压应力作用下上述力学特征的相似性和规律性。

循环荷载下岩石应变率双因素模型实验研究

在单轴压缩、恒幅和变幅下,分别对花岗岩、白砂岩和大理岩进行循环荷载疲劳试验,建立了一种测定岩石疲劳应变率双因素实验模型.实验结果表明,变幅应力是影响岩石疲劳变形特性的主要因素;变幅与恒幅应力相比,变幅应力的基础疲劳寿命和临界强度分别降低了15.8%~18.0%和21.6%~25.8%,临界应变率增加了17.3%~21.3%.尽管岩石的试验数据离散性很大,但该模型对于测定岩石的疲劳应变率和疲劳寿命具有良好的适应性;与传统方法相比,它更准确、更符合实际;该模型对岩石疲劳变形规律的研究和岩石基础工程长期稳定性监测具有实用价值.

岩土类材料率相关性及硬化-软化特性模型研究

岩土类材料具有显著的率相关性,其应力-应变关系全过程一般表现为硬化-软化特征,研究如何描述这两类特征具有重要的意义。基于岩土类材料的物理变形机制分析,考虑到其结构性特征,采用弹黏塑性本构模型,引入反映材料结构变化的可变结构黏滞系数及其演化方程,并将其嵌入到弹黏塑性本构模型中去,建立能够反映材料结构变化的弹黏塑性本构模型。利用玄武岩常规三轴常应变率试验结果对所建立的模型进行试验验证,结果表明:所建立的弹黏塑本构模型能够完整、合理地描述岩土类材料应力-应变关系全过程以及材料本构关系的率相关性,同时还能够反映材料的峰值强度、残余强度特征。

脆性材料SHPB实验中脉冲整形技术实现近似恒应变率加载功能的进一步研究

基于分离式霍普金森压杆实验和数值模拟,对脆性材料在SHPB实验中是否需要实现近似恒应变率加载进行了研究。结果表明,在脆性材料的SHPB实验中,即使整形入射应力波在反射应力波中产生了一个近似平台,脆性材料试样中仍旧存在显著的由惯性产生的径向围压。所以,在脆性材料的SHPB实验中应用脉冲整形技术,并不能改变转折应变率表征SHPB试样中应力状态由一维应力状态向多轴应力状态的转变。无论是否采用了脉冲整形技术,应用脆性材料的SHPB实验结果时,都应该考虑惯性引起的径向围压的影响。

钛合金的固态Cu致脆行为研究

分别采用慢应变速率拉伸、恒载荷拉伸加载方法研究了TC11钛合金在不同温度下的Cu脆行为,Cu与钛合金试样表面的接触分别采用离子束增强沉积和机械压合法实现。研究结果表明:在500℃慢速率拉伸条件下,钛合金呈现出较高的铜脆敏感性,而在300℃,400℃时,Cu脆敏感性不明显。在恒载荷试验条件下,500℃时,Cu对钛合金的力学性能影响较低;550℃时,Cu使TC11合金的断裂寿命和塑性指标显著降低。Cu脆的发生必须满足:Cu与钛合金紧密接触;合适的温度;试样应保持一定大小的形变速率。

脆性材料SHPB试验中实现近似恒应变率加载必要性的研究

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验的数值模拟,对脆性材料SHPB试验中是否需要实现近似恒应变率加载的必要性进行了研究。结果表明在脆性材料的SHPB试验中,即使整形入射应力波在反射应力波中产生了一个近似平台,脆性材料试样中仍旧存在显著的由惯性产生的径向围压,说明在SHPB试验中实现了由反射应力波中的近似平台所表征的近似恒应变率加载也不能表示SHPB试样中的应变率为近似恒定。因此,在脆性材料SHPB试验中应用波形整形技术并不能改变转折应变率表征SHPB试样中应力状态转变的特性。无论是否采用了波形整形技术,应用脆性材料SHPB试验结果时都应考虑惯性引起的径向围压的影响。

含水率对砂岩动态拉伸强度的影响

工程中的岩石具有不同的含水性,研究不同含水率岩石动态力学性质的变化规律,对岩石工程的设计和建设具有很强的指导意义。为研究不同含水率对砂岩动态拉伸强度的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验装置对不同含水率试样进行了一系列动态巴西劈裂试验,研究了不同含水率砂岩在不同加载率条件下的动态拉伸强度变化规律。试验结果表明:岩石的动态拉伸强度随着加载率的增加而增加,其率相关性与含水率有关,饱和试样的率相关性较强,而干燥岩石的动态强度对加载率的变化不敏感。当加载率较低时,岩石的拉伸强度随着含水率的增加而降低;当加载率较高时,由于水的Stefan效应,水对岩石裂纹产生抗力,阻碍其扩展,导致岩石强度增加,饱和试样的动态拉伸强度出现高于非饱和试样强度的现象。

几种应力腐蚀试验方法的比较

比较了恒位移法、恒载荷法和慢应变速率法研究应力腐蚀时的优缺点。相比而言,慢应变速率法具有更高的灵敏性。

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究

在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验。研究了在具有不同保持时间、不同应变率、不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响。基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟。实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率、保持时间以及应变幅值依赖性。本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为。

沥青混合料等应变率压缩试验的时间依赖性模型

为描述沥青混合料在受力状态下的时间依赖性行为,以等应变率压缩试验曲线特点为依据,建立沥青混合料的可变量本构模型,并推导出不同加载条件下本构方程表达式.通过有效的数值拟合方法获取沥青混合料的本构模型参数,将该模型与三轴等应变率压缩试验曲线进行对比,两者吻合较好,表明可变量本构模型能较好地描述沥青混合料与时间依赖行为,对破坏失效后材料的力学行为曲线有较好地表述.利用拟合参数计算蠕变曲线,其计算蠕变曲线能成功地描述蠕变的第二、三阶段,曲线特点与应力、温度等条件相关,在高温度和高应力条件时达到一定应变条件时所需时间较短,同时稳定期随温度和应力的增加所经历的时间逐渐减少.

夹杂物对冷轧热成形钢氢致延迟开裂的影响

采用恒载荷试验和慢速率拉伸(SSRT)试验研究了1500 MPa级冷轧热成形钢氢致延迟开裂(HIDC)行为。使用金相显微镜和夹杂物分析仪观察和分析了钢的微观组织和夹杂物。结果显示,钢的延迟断裂临界应力值为772.5MPa,氢脆敏感性指数为77%。淬火前钢的组织为铁素体和珠光体,淬火后为板条马氏体,钢中夹杂物以具有尖锐棱角的TiN+Al_(2)O_(3)以及MnS为主。充氢条件下钢的断口表现出沿晶开裂特征,TiN和Al_(2)O_(3)夹杂物是氢致延迟开裂的裂纹源。

5083铝合金气胀成形恒应变速率压力加载方式研究

采用国产工业态5083铝合金,通过气胀成形方式试制高铁车窗零件。对5083铝合金原始金相组织进行分析,发现其平均晶粒尺寸为24μm,远大于国外细晶材料的晶粒尺寸,很难进行超塑成形,因此选择合适的成形参数(成形温度、应变速率、压力加载曲线)来弥补材料在超塑性能上的不足。在不同温度和应变速率条件下对试样进行高温拉伸试验,结果表明:当温度小于475℃,伸长率普遍小于100%;当温度为550℃时,伸长率受应变速率影响变化剧烈,不适合作为成形温度。因此选择气胀成形的温度为525℃,应变速率为6. 56×10-4s-1。通过对成形过程中圆角的应力应变状态进行分析,得到了圆角成形的恒应变速率压力加载方式,并研究了当圆角两边夹角角度变化时恒应变速率压力加载曲线的差别。