固体推进剂双向拉伸试件优化设计及试验

基于Kelly提出的十字形试件,设计了一种新型固体推进剂双向拉伸试件。利用ANSYS有限元软件对试件双向加载过程试验区中引起的应力应变的数值模拟,实现了十字形试件的优化设计,经过优化的试件在满足双轴试验要求方面有了明显的改进。通过对丁羟复合固体推进剂试件双向加载力学行为试验研究,获得不同拉伸速率双向拉伸应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,固体推进剂断裂延伸率的双向弱化效应很明显,双向加载比例为等双拉状态时,其双向断裂延伸率比单向断裂延伸率降低37.5%。     

各向异性多轴近似应力应变分析方法研究及应用

用基于Neuber法则的各向异性多轴近似应力应变分析方法,计算了沿不同方向加载时,定向凝固合金DZ125和单晶DD6材料缺口构件,弹塑性应力应变分布以及应力集中处的弹塑性应力-应变响应.同时,将微分形式的、考虑了时间效应的Neuber法则拓展到各向异性多轴保载情形,给出了拉伸保载时缺口根部的应力-应变响应.计算结果显示,单轴循环模拟结果与试验数据吻合,缺口构件循环加载以及拉伸保载预测结果与物理实际相符.证明了基于Neuber法则的各向异性多轴应力应变分析方法,可用于国产定向凝固合金和单晶材料循环加载以及拉伸保载分析.      

单晶切口试样低周疲劳特性研究

基于镍基单晶高温合金DD3切口试样低周疲劳对比试验,得出了相同温度和应力比条件下,切口疲劳寿命受应力集中系数和加载的综合影响,不能仅凭部件某一位置的应力集中程度或受力情况而判断其疲劳寿命.把试验加载条件、材料参数及约束等写入ABAQUS的子程序FATIGUE001中,对切口低周疲劳特性进行了数值模拟,结果表明:切口尖端存在应力松弛,松弛程度受加载及应力集中程度的影响,应力松弛会在一定程度上减弱疲劳裂纹扩展速率,延长疲劳寿命;同时,在切口尖端发生了明显的棘轮效应,因此当塑性变形增加到一定程度切口就会有裂纹启裂直至试样最后断裂.     

GH39合金拉伸应变硬化行为与断口形貌

采用不同应变速率(0.0001~0.1s-1)下单轴拉伸实验对 GH39合金应变硬化行为与断口特征进行了研究。结果表明：应变硬化指数在不同应变量下表现出多重性,真应力应变不完全遵循 Hollomon 对数线性关系。塑性变形开始阶段,应变硬化指数n为恒定;真应变ε在0.014~0.13,n随着应变的增加而增加,在此过程由于形成大量形变孪晶,孪晶与位错相互作用,硬化能力增强;随着应变速率的提高,材料的应变硬化指数略下降;在低应变速率时段合金的拉伸断口为延性断裂,随着应变速率的增加从韧窝状延性断裂向半解理断裂过渡。     

改性BMI／DPA和CTBN增韧环氧树脂的温度,力学性能及本构关系研究

研究了ＣＴＢＮ增韧环氧树脂和烯丙基双酚Ａ改性双马树脂（ＢＭＩ／ＤＰＡ）在不同温度和加载速率下的拉伸和压缩力学性能。对于ＣＴＢＮ 增韧环氧树脂,材料在动态拉伸情况下,随着应变率的增大,材料由韧变脆,模量升高,断裂伸长率下降;在压缩情况下,弹性模量和屈服应力均随着加载速率的增大而增大。对于改性双马树脂,在室温的动载压缩下,其模量Ｅ和屈服应力σｙ均基本上与ｌｎε呈直线关系增大,并给出了该树脂在不同加载速率下的压缩应力应变曲线。计算了两种材料的温度敏感度和加载速率敏感度以及温度和应变率对两种树脂材料屈服应力影响的本构关系。     

不同应变率下Ni-Ti形状记忆合金压缩力学行为分析

为了研究Ni-Ti形状记忆合金在不同应变率下的压缩力学行为,通过分离式Hopkinson杆实验装置分别对不同Ni—Ti形状记忆合金试样进行了动态压缩试验。实验中应变率变化范围为10^2／s—10^4/s。从压缩试验结果分析中发现：Ni-Ti形状记忆合金的相变屈服应力和位错屈服应力均随着试验温度和应变率的增加而增加,并且当应变率增加到10^4／s数量级时,应力—应变曲线中的应力平台将消失,此时材料的变形行为将类似于一般金届材料。     

SiC/Ni复合材料的超塑性

对电沉积SiC/Ni复合材料进行了低温超塑性拉伸实验,结果发现:平均晶粒尺寸为200nm的SiC/Ni复合材料在温度430℃初始应变速率为8.33 ×10-4s-1的变形条件下,获得最大延伸率571.2%,应变速率敏感指数为0.32.利用扫描电镜对断口形貌及变形后试样的组织进行的观察表明:断裂模式主要是沿晶断裂;晶粒有不同程度的长大,晶粒的长大速率的不同形成了变形后大小晶粒的混合组织,且沿拉伸方向拉长.应力-应变关系曲线表明:应力随着应变的增大而增大,增加到峰值后开始减小,材料进入准稳定变形阶段,实现大变形.SiC的加入增加了基体组织的稳定性,有利于材料超塑性的实现.超塑变形机理为晶界滑移和位错滑移塑性.     

热变形对TC4氩弧拼焊板拉伸与疲劳性能的影响

在700℃下,对TC4氩弧拼焊板进行了3个变形量(主应变0.5％、1.6％、2.7％)的等双向拉伸成形,研究了热变形对TC4氩弧拼焊板单向拉伸性能和疲劳寿命的影响.结果表明:等双拉变形前后,TC4氩弧拼焊板拉伸试样均断裂在焊接热影响区,热影响区的强度低于母材和焊缝.随着等双拉热变形量增加,TC4拼焊板试样疲劳寿命有所增加,这是因为一定变形量的热成形释放了焊接残余应力.     

块体纳米晶铝的力学性能及变形机理

采用雾化粉体+挤压(Ato+Ext)、雾化粉体+热等静压+挤压(Ato+HIP+Ext)、低温球磨+挤压(Cryo+Ext)、低温球磨+热等静压+挤压(Cryo+HIP+Ext)四组不同的工艺制备块体纳米晶/细晶铝,并测定了室温拉伸性能,分析了这些块体材料的拉伸应力-应变曲线,利用透射电镜和扫描电镜观察了试样断口附近的位错活动及试样的断口形貌,讨论了其变形机理和断裂机理。研究结果表明:球磨粉体制备的块体纳米晶铝的强度远高于雾化粉体制备的块体超细晶铝,四组块体材料在拉伸过程中均不存在加工硬化现象;块体超细晶铝在拉伸过程中发生了明显的位错运动,对于块体纳米晶铝,尺寸≤100nm的晶粒在拉伸过程中内部基本不发生位错运动;块体超细晶铝大部分区域发生穿晶断裂,而块体纳米晶铝基本发生沿晶断裂。     

2D-C/SiC缺口试样的拉伸行为

研究了具有双边对称圆弧缺口（试样厚3 mm宽4 mm,缺口半径2 mm,缺口深0.6 mm）的二维正交编织C/SiC试样在室温空气中与高温真空下拉伸行;测量了拉伸过程中的应力、应变、初始模量和电阻;并用SEM观察断口.结果表明,2D-C/SiC材料除室温下缺口试样的拉伸强度低于光滑试样外,高温下两者基本相当,两者都随温度的升高变化也基本一致.高温下缺口试样拉伸强度与光滑试样相当说明,该材料对应力集中不敏感;室温时对应力集中敏感.缺口试样的断裂应变要远小于光滑试样的断裂应变.2D-C/SiC材料缺口试样基体裂纹开裂应力随着试验温度的上升逐渐增加.缺口试样的相当模量高于同一温度下光滑试样的弹性模量,两者都随着试验温度上升而增加,在1 100℃达最大值,然后开始下降.电阻表征的损伤大体上随载荷增加而增加,1 300℃和1 500℃条件下,较小载荷范围内有下降现象.从室温到1 500℃,所有断口中与载荷方向垂直的纤维束断裂面平整,平行于载荷方向的纤维束断面参差不齐.2D-C/SiC复合材料总体上仍属于脆性断裂,局部上有纤维或纤维束内小的纤维集团拔出,吸收了较多的能量,存在增韧机制.     

Multiscale modeling of mechanical behavior and failure mechanism of 3D angle-interlock woven aluminum composites subjected to warp/weft directional tension loading

The mechanical behavior and progressive damage mechanism of novel aluminum matrix composites reinforced with 3D angle-interlock woven carbon fibers were investigated using a multiscale modeling approach. The mechanical properties and failure of yarns were evaluated using a microscale model under different loading scenarios. On this basis, a mesoscale model was developed to analyze the tensile behavior and failure mechanism of the composites. The interfacial decohesion, matrix damage, and failure of fibers and yarns were incorporated into the microscopic and mesoscopic models. The stress–strain curves and fracture modes from simulation show good agreement with the experimental curves and fracture morphology. Local interface and matrix damage initiate first under warp directional tension. Thereafter, interfacial failure, weft yarn cracking, and matrix failure occur successively. Axial fracture of warp yarn, which displays a quasi-ductile fracture characteristic, dominates the ultimate composites failure. Under weft directional tension, interfacial failure and warp yarn rupture occur at the early and middle stages. Matrix failure and weft yarn fracture emerge simultaneously at the final stage, leading to the cata-strophic failure of composites. The weft directional strength and fracture strain are lower than the warp directional ones because of the lower weft density and the more serious brittle fracture of weft yarns.     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

HIP-Re 组织及力学性能

采用粉末冶金热等静压技术制备了HIP-Re纯铼材料,分析了不同热处理状态对材料微观结构及室温和高温性能的影响。结果表明,热处理温度对材料拉伸性能影响较大,经1 800℃/1.5 h真空处理HIP-Re抗拉强度达到1 196 MPa,伸长率为19.1%;2 000℃抗拉强度达到69 MPa,伸长率达17%以上。粉末冶金铼的晶粒组织多为2～8μm细小等轴晶,HIP-Re断裂方式为沿晶断裂与穿晶断裂共同作用,高温断裂方式为晶间断裂与滑移断裂,在拉伸形变过程中,Re材料内部产生了大量协变的裂纹及微孔,裂纹扩展连接导致断裂。     

2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。     

TC4钛合金扩散焊接头的力学性能

在温度为910℃,压力为3.4MPa条件下对TC4钛合金板材进行了扩散焊接,对获得的扩散焊接头取样进行金相观察,仅在接近接头表面材料深度为1mm范围内发现未焊合缺陷,其余部分焊合较好,表明在给定工艺下可获得质量良好的焊接头.随后对TC4扩散焊接头的力学性能进行了试验研究,分别开展了静拉伸试验、断裂韧性试验及焊缝附近区域的纳米压痕试验.试验结果表明,所制得的TC4扩散焊接头屈服强度为887MPa,抗拉强度为948MPa,断裂韧性为101.9MPa·m1/2,均与原材料的性能相差不大.纳米压痕试验的结果显示,接头焊缝区和母材区的显微弹性模量分别为180.2GPa和178.0GPa.      

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

环氧基复合材料的混合模式分层

 采用混合模式弯曲试验研究了Ｔ３００／Ｍ１０和ＨＴＡ／６３７６两种复合材料静态和疲劳加载的分层断裂行为。在不同α／Ｌ比和混合模式比条件下加载,两种材料呈现脆性不稳定或脆性稳定的裂纹扩展。在疲劳加载中,裂纹扩展始终是稳定的。混合模式比对分层韧性、疲劳裂纹扩展速率和疲劳门槛值均有明显影响。     

38CrA钢的T-ln((?)_0/(?))-D~(-(1/2))冷脆断裂控制图和机制图的研究

从理论和实验上研究了38CrA钢光滑拉伸试样的韧脆转移温度T_(NDT)、A(A=ln(?)和D~(?)之间的关系。得到其屈服应力σ_(YS)与A之间具有指数关系,其T_(DNT)与D~(?)之间具有线性关系,并且得到T_(DNT)与ln(?)乘积为~材料常数等关系。建立了三维冷脆断裂控制图和机制图,它们不仅可以用于冷脆断裂的分析、诊断、预测、控制和预防,而且可以用于低温构件的设计、选材和安全评估。     

TA15 钛合金等温局部加载各加载区的组织和性能

研究了不同加载方式下TA15钛合金方坯先加载区、过渡区和后加载区的组织和力学性能。结果表明:只采用局部加载时,先加载区和后加载区的室温和高温性能优于过渡区的性能,各区的持久性能差别不大;采用先局部后整体的加载方式时,过渡区的室温和高温性能优于其他两个加载区,但过渡区的持久性能明显较差。只采用局部加载时,各区的组织性能优于先局部后整体加载时各区的组织性能。