Zr-Al-(Ni-Cu)合金的非晶形成能力及热学性能

采用喷射铜模铸造法研究了Ni和Cu含量对Zr-Al-(Ni-Cu)四元合金的非晶形成能力的影响.利用X射线衍射仪分析了铸态合金的相结构,利用差示扫描量热仪研究了非晶合金的热学性能.结果表明:Zr-Al-(Ni-Cu)四元合金的非晶形成能力远大于Zr-Al-Ni和Zr-Al-Cu三元合金的非晶形成能力.Zr65Al7.5Ni10Cu17.5合金显示最高的非晶形成能力,其非晶形成临界直径可以达到7 mm.相似元素Ni和Cu在一定比例下共存,使液态合金的熵值增加,自由能降低,从而有效提高了合金的非晶形成能力.     

Cu-Zr-Ti块体非晶合金的形成及其力学性能

在Cu-Zr-Ti的三元合金系中发现了具有高非晶合金形成能力的Cu₆₀Zr_40-xTi_x(x=5%~27.5%,x为原子数分数)合金,采用铜模铸造法制备了块体非晶合金,其过冷液体温度区间为38~65?K.在该合金系中具有最高非晶形成能力的成分范围为Cu₆₀Zr_40-xTi_x(x=7.5%~12.5%),其非晶形成临界直径为5?mm,是Cu-Zr-Ti三元非晶合金中迄今为止非晶形成能力最高的合金.Cu₆₀Zr_40-xTix(x=7.5%~12.5%)块体非晶合金的杨氏模量、压缩断裂强度、压缩塑性应变和硬度分别为80~114?GPa,1?730~1?865?MPa,0.3%~1.5%和Hv 693~Hv 824,并随Ti含量的增加而提高.同时具有高非晶形成能力、高强度及显著塑性变形能力的铜基块体非晶合金的发现对非晶合金的基础研究和高性能结构材料的开发具有重要意义.     

高强铝合金穿晶剪切断裂研究

为了澄清穿晶剪切模式的产生条件,对各种工业铝合金和单晶体进行了大量的实验研究和理论分析.变形的平面应变状态(外在或内在的)和应变硬化率趋近于0是产生剪切应变局部化的基本条件.剪切应变局部化导致剪开,即为穿晶剪切断裂.对作者原来提出的模型进行改进.     

钛合金冲击性能与动态压缩性能间的定量关系

为认识钛合金的冲击性能与冷镦成品率的关系,运用组织定量统计分析的方法研究了Ti-3Al-5Mo-4.5V钛合金显微组织参数对冲击性能的影响规律,结合动态压缩后的剪切带宽度变化规律,探讨了裂纹形成功、裂纹扩展功以及冲击功与剪切带宽度之间的关系.结果表明:随着退火温度的上升,α片长宽比先增加后减小,裂纹形成功也是先上升后下降,而裂纹扩展功却是先减小后增加,冲击总功持续上升;冲击功指标与材料的动态压缩性能未发现必然联系,裂纹形成功与动态压缩后的剪切带宽度成反比例关系,而裂纹扩展功与剪切带宽度线性正相关.      

2195-T8铝锂合金疲劳多裂纹融合试验与仿真研究

铝锂合金作为航空航天广泛应用的合金材料,其疲劳断裂行为的研究对结构安全性评价具有重要意义。以第三代铝锂合金2195-T8为研究对象,通过恒幅拉-拉疲劳试验和有限元方法对2195-T8铝锂合金疲劳裂纹扩展行为进行试验与仿真研究。基于断面显微测量与观察,在仿真模型中引入多个初始裂纹,模拟多裂纹的融合扩展过程,获得多裂纹独自扩展、交融时扩展和融合后扩展的规律。结果表明：裂纹融合前,在疲劳循环载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子总体上不断增大,塑性区域体积增加区域平缓;当裂纹相互融合时,裂纹面处应力强度因子瞬时增大,远高于其余裂尖数值大小;随着裂纹进一步融合,尖端应力强度因子数值趋于平稳;裂纹完全融合后,到达裂纹快速扩展阶段,塑性区域体积与扩展步数呈正比增加,扩展速率呈现先快后慢的规律,裂纹面交汇融合成新的椭圆形状裂纹面。     

铝锌镁铜合金圆棒单轴拉伸时剪切形变局部化和断裂特征研究

本文对两种铝锌镁铜系合金(7010和7475)圆棒单轴拉件时的形变和断裂过程进行了研究。这两种合金在欠时效和时效至最高强度状态时都发生剪切形变局部化现象,随之迅速剪断,宏观断口是斜的剪切平断口。这两种合金在过时效状态时得到的是通常的杯锥断口。这可能是由于在不同状态时产生剪切形变局部化的滑移面硬化率对瞬时拉应力的临界比值不同之故。欠时效和时效至最大强度状态的材料的开始剪切形变局部化的临界比值较过时效状态的材料的为高,因而在试验时易于达到。剪切形变局部化发生后随即就剪断了。     

湿热环境中含脱层复合材料层合板的界面裂纹扩展

处于恶劣湿热环境中的复合材料层合结构,受湿热残余应变和残余应力的作用,易产生局部屈曲和分层扩展。考虑湿热效应和脱层间接触效应的影响,对含脱层复合材料中厚板的非线性屈曲和界面裂纹扩展行为进行了理论分析。基于可动边界变分原理,建立层合板在湿-热-力载荷作用下的总势能,并推导出非线性后屈曲控制方程和脱层扩展能量释放率。应用摄动法和Galerkin法求解控制方程,获得以面内压缩载荷-挠度曲线为特征的含脱层复合材料层合板的后屈曲路径。根据求得的后屈曲解及Griffith断裂准则,确定脱层扩展临界压力的理论解。通过开发MATLAB程序,综合讨论了脱层尺寸、湿热环境对脱层复合材料层合板屈曲和扩展载荷的影响。研究结果与ABAQUS有限元解和经典理论解进行比较,验证了理论分析的有效性。结果表明:湿热环境会显著降低脱层复合材料层合板的屈曲载荷和扩展载荷。此外,忽略复合材料层合板的横向剪切应变将导致对层合板承载能力的高估。      

基于应变不变量失效理论的复合材料损伤模拟

应变不变量失效理论基于物理失效模式判断纤维和基体的损伤,适于研究纤维与基体的细观相互作用及固化残余应力的影响.介绍了应变不变量失效理论的物理背景,建立了正方形、六边形和钻石型细观代表体积单元模型,给出了宏观应变到细观应变的转换方法,提出了相应的失效模式和损伤演化准则.基于应变不变量失效理论求得了CCF300/5228材料体系的机械应变放大系数和热应变放大系数,对CCF300/5228复合材料开孔层合板的拉伸破坏过程进行了模拟,分析了纤维和基体的失效过程.计算与试验结果取得了较好的一致性,证明了该理论的适用性.     

非晶Cu形成过程及其力学性能的微观机理研究

用分子动力学方法模拟了非晶Cu的形成过程,研究了非晶Cu力学性能的微观机理.用径向分布函数(RDF)和键对分析方法(PA),分析了快速冷却过程中系统内部结构的变化.非晶Cu径向分布函数第2个峰有明显的劈裂,键对分析表明,在快速降温过程中2331,2211和2101键对的增多是径向分布函数第2峰劈裂的原因.对非晶Cu进行拉伸、剪切加载模拟,结果表明,非晶Cu应力达到最大值之后,没有应力值的突降,宏观上出现类似塑性变形的行为.但是,非晶金属变形的微观机理不同于晶体.本文引入微观数密度统计分析,发现加载过程中微观密度呈现非均匀演化,这为理解宏观类似塑性行为的微观机理提供了线索和可能的分析方法.      

复合材料结构三维有限元分析的材料参数

在调研现有文献复合材料结构三维数值分析中材料参数的基础上,阐述了基于单层板材料性能数据建立复合材料三维材料参数的方法.通过对复合材料π接头结构的三维数值模拟和试验,研究了三维材料参数中不确定参数对结构刚度预测的影响;分别采用三维修正的最大应力准则、最大应变准则、蔡-胡准则和Hashin准则评价π接头的初始破坏,结合试验数据,研究不同失效准则对复合材料π接头结构的适用范围以及材料参数对初始破坏强度预测的影响.研究工作可为一般层合复合材料结构的三维建模提供参考,并为深入理解复合材料π接头结构力学性能、准确预测其破坏强度提供理论支持.     

成形极限预测韧性断裂准则及屈服准则的影响

将韧性断裂准则用于预测板材成形极限,通过数值模拟HS钢、IF钢和6111-T4铝合金3种板材在单向拉伸、平面应变和双向等拉等不同应变路径下的变形过程,获得试件中心区域主应变最大单元的应变历史,结合成形极限实验数据计算韧性断裂准则的材料常数;通过对接近平面应变变形路径下的模拟结果与实验获得的网格应变相比较分析了Hill48,Hill90和Barlat89 3种各向异性屈服准则对模拟获得的应变路径的影响.结果表明,Barlat89屈服准则可以较好地描述单元的应变路径;在此基础上比较了几种韧性断裂准则用于预测板材断裂成形极限的计算结果, Cockcroft-Latham准则和总塑性功准则的计算结果比较理想,材料常数的确定也较为简单.      

橡胶O形圈密封结构的有限元分析

建立固体火箭发动机的橡胶O形圈的二维轴对称模型,采用非线性有限元方法计算了O形橡胶圈在库存和工作状态的变形及应力,分析了上下法兰张开间隙、初始压缩量、密封槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料、O形圈截面尺寸及工作温度等典型参数对密封性能的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率、密封圈材料等典型参数对最大接触压应力影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角对剪切应力影响明显.这些分析为密封结构的优化设计打下了基础;同时探讨O形圈应力分布规律,确定密封圈易受损和失效关键部位,初步确立了固体火箭发动机密封失效准则和失效模式.     

泡沫铜/低熔点合金复合相变材料凝固放热分析

为研究泡沫铜/低熔点合金(LMPA)复合相变材料在间歇放热工作环境下恢复至初始状态的能力及不同孔隙率泡沫铜的添加对其凝固放热过程的影响，通过数值模拟对比分析了47合金、正二十三烷与泡沫铜复合前后的凝固放热过程，并调节泡沫铜/47合金复合材料孔隙率计算模拟芯片温度在凝固放热过程中温度随时间变化曲线。结果表明:泡沫铜的添加对2类材料凝固过程均有促进作用，模拟芯片恢复至目标温度所需时间分别被缩短6.6%和47.7%。因体积潜热值的差距，泡沫铜/47合金凝固时需放出更多热量，恢复至目标温度的时间较长，是正二十三烷复合相变材料的1.52倍。随着孔隙率的增大，复合相变材料恢复至室温状态所用时长变化不大，考虑到孔隙率对相变热控过程中的影响，实际使用时应综合考虑。      

基于EMT采用FEM研究含裂纹介质中弹性波传播机制

了解和掌握弹性波在含有裂纹介质中的传播规律是开发利用页岩气等非常规油气资源中的关键科学问题.本文基于数值模拟的优点,采用商用有限元软件Nastran模拟弹性波在含裂纹介质中的激发及传播方式,分析了弹性波在该介质中裂纹微结构(密度和纵横比)对弹性波传播动力学特性的依赖程度.结果表明:有限元方法(FEM)可以用于该问题的研究;Hudson等效介质理论(EMT)不适用泊松比近0.5的材料;裂纹密度、纵横比的增大会减小纵波(P波)波速值,以及衰减位移时域响应的首波振幅,且裂纹密度对于该材料的各向异性的影响要远大于纵横比的作用.