热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究

为了研究热冲击对加热花岗岩的影响，使用3种冷却方法来提供不同的冷却速率，对花岗岩试样施加不同程度的热冲击作用。通过分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对热冲击处理后的花岗岩半圆盘中心直裂纹三点弯曲(NSCB)试样进行冲击断裂试验，并利用高速摄像机记录了试样的断裂模式。试验结果表明：随着试样温度和冷却速率的提升，试样的干密度和纵波波速显著下降，试样的孔隙率加大。试样的断裂韧度变化及破坏模式表明热冲击作用使花岗岩试样受到冲击力时抗裂纹扩展的能力下降，尤其在冲击载荷的加载率高于130 GPa·m^0.5/s时下降尤为明显。     

化学浸泡作用下热冲击花岗岩物理特性与导热性能演化机制

为了研究化学浸泡作用下热冲击花岗岩物理特性与导热性能演化特征,对25～600 ℃范围内不同温度热冲击作用后的花岗岩试件开展了长期的酸性和中性溶液浸泡试验,结合超声检测、核磁共振测试、热常数分析和扫描电镜试验,定量表征了热化改性花岗岩试件物理参数随热冲击温度的演化规律,建立了各物理参数之间的内在关联性,揭示了物理性质变化的微观机制。研究结果表明:随着热冲击温度的升高,热化改性试件的体积逐渐增大,质量和密度逐渐降低,纵波波速呈线性下降,孔隙率呈幂函数递增,导热系数和热扩散系数分别呈指数下降和线性下降;相同热冲击温度下,热化改性试件的体积增长率、纵波波速和导热系数由大到小依次为未浸泡>水浸泡>酸浸泡,质量降低率和孔隙率从高到低依次为酸浸泡>水浸泡>未浸泡;孔隙率增大和导热性能劣化均伴有纵波波速的下降,可通过测量纵波波速对孔隙率和导热性能进行估测;热化改性试件的孔隙结构对150～450 ℃范围内的温度更为敏感,固体颗粒骨架对450 ℃以上温度更为敏感,颗粒骨架的劣化又将进一步引起孔隙结构的演化;热化改性作用引起的微观孔隙结构发育和物相转变是导致物理性质变化的本质原因,其中以高温热冲击起主导作用,研究发现300 ℃可作为产生强烈热冲击的温度阈值。      

温度冲击对花岗岩动态拉伸力学性能的影响

在特定情况下,岩体工程中的岩石会经历温度快速变化（温度冲击）,因此研究温度冲击对岩石的影响对实际工程中岩体的稳定性分析有重要意义。通过将花岗岩试件加热至3种高温（200,400,600 ℃）,并采用3种方法冷却,研究了温度冲击对花岗岩物理性质的影响;使用分离式霍普金森压杆研究了温度冲击对花岗岩动态拉伸特性的影响,发现其动态拉伸强度随加热温度和冷却速率的增大而减小;使用高速摄影仪记录试件拉伸破坏时的裂纹形态,结合碎块形态,分析温度冲击对花岗岩的损伤程度,得出200 ℃加热条件下花岗岩不产生温度冲击,而在400 ℃和600 ℃加热条件下,花岗岩损伤程度随加热温度和冷却速率的增大而增大。     

微波辐射辅助机械冲击破碎岩石动力学试验研究

微波辅助冲击式破岩是实现快速破碎硬岩的重要手段,开展微波辐射对岩石抗冲击性能的研究具有重要的理论和实际意义。采用工业微波炉对砂岩进行不同功率和不同时间的辐射试验,测试了砂岩在辐射前后的波速、孔隙率和动态力学强度。结果发现:在5 kW的辐射功率下砂岩升温速率达到1.29℃/s,3 kW的辐射功率下达到1.04℃/s;微波辐射后砂岩波速不断降低,孔隙率不断增大,5 kW辐射4 min后波速降低了34%,孔隙率增加了近70%;在5 kW和3 kW辐射4 min后,砂岩动态压缩强度分别降低了60.4 MPa和44 MPa。研究结果说明微波辐射能够使砂岩快速升温,在热应力的作用下试样内部产生裂纹并扩展,使得波速下降而孔隙度增大。辐射加热大幅地降低了砂岩动态压缩强度。     

冲击荷载作用下热处理花岗岩动态力学特性研究

为研究冲击速度和热处理温度对黑云母花岗岩动态力学特性的影响,利用改进的霍普金森压杆系统对25~800 ℃共9个温度等级的热处理试样分别进行3种弹速下的冲击压缩试验。试验结果表明：随着冲击速度的增加,25~700 ℃热处理试样的应力—应变曲线由“Ⅱ型”转变为“Ⅰ型”,而800 ℃热处理试样均表现出“Ⅰ型”应力—应变曲线特征。同一温度热处理下试块的峰值应力、应变和平均应变均随动荷载的升高而增大。相同的冲击速度下,300 ℃热处理试样的动力学性能有所改善,500 ℃后试样的动力学性能开始逐渐劣化。同一温度热处理试样的破碎程度随冲击速度的增加而增加;相同冲击速度下,热处理试样的破碎程度随温度的升高先减弱后增强。     

淬火温度对高碳钢组织和断裂韧度的影响

研究了不同淬火温度对高碳钢组织及断裂韧度的影响。利用紧凑拉伸试样测量其平面应变断裂韧度,扫描电镜(SEM)观察淬回火后的组织演变规律及断裂韧度试样断口形貌。结果表明:随着淬火温度的升高,淬火态组织中残余碳化物数量逐渐减少至920℃时全部消失;晶粒尺寸在淬火温度大于960℃时明显长大。600℃高温回火后,组织由残留大碳化物颗粒、回火析出碳化物及铁素体基体组成;塑性单调下降;断裂韧度在小于960℃时单调下降,大于960℃后基本不变;KIC试验断口逐渐由准解理型断裂转变为沿晶断裂。塑性变化是试验钢韧性降低的主要原因。     

基于波速测量的岩石储能量化表征方法研究

为了定量化表征岩石储能，选择3类典型岩石（强度较低的红砂岩、中等强度的大理岩和坚硬的花岗岩），在弹性区间内对其压缩载荷（或应力）与纵波波速之间的随动关系进行测试研究，并根据其应力—应变特征曲线，计算出应力与存储能量之间的定量关系，建立以应力为桥梁的“波速—应力—储能”的定量化表征方法。结果表明：在3种典型岩石弹性阶段内，其纵波波速与压缩应力均呈现出明显的线性关系；压缩应力与岩石储能之间基本符合复合幂指数关系；根据卸载波速—应力、应力—弹性储能所建立的模型，可以得到卸载波速与弹性储能之间的对应函数关系，实现了用波速定量化表征岩石储能的目的，即获得了一种较为可行的用波速定量化表征岩石储能的测试技术方法。测试结果还表明：硬岩比软岩更适合采用此方法来定量化表征存储的能量，其精度和准确度更高。     

SPS制备碳化硅陶瓷的研究

本文用放电等离子烧结(SPS)的方法制备了SiC陶瓷,研究了SPS烧结温度、压力和保温时间对烧结试样力学性能的影响.结果表明,随着烧结温度的升高,烧结试样的密度和硬度增加,当温度超过1600℃后,密度和硬度不再增加,反而有稍微的下降,而断裂韧度和弯曲强度则随温度的升高而提高;随着压力的增大和保温时间的延长,样品的致密度和力学性能均提高.当温度为1700℃、压力为50MPa、保温时间为5min时,烧结样品的密度达3.280g/cm3,维氏硬度达25.0GPa,断裂韧度达8.34MPa·m1/2、弯曲强度达684MPa.     

挤压TC4钛合金U型材矫直工艺研究

研究了矫直加热温度和降温速率对U型材矫直变形、组织和性能的影响。结果表明:在相同降温速率条件下,随矫直温度升高,U型材矫直变形效果好;在相同加热温度时,随着降温速率减小,高温矫直变形后的回弹性越小,U型材矫直变形效果好;矫直加热温度720℃和降温速率30℃/min时,矫直后U型材满足AMS2245《钛及钛合金挤压条、棒材及型材尺寸公差》的相关要求;矫直加热温度不高于720℃,矫直工艺并不改变其组织和性能。     

高温花岗岩热冲击后力学特性及损伤演化规律研究

在干热型地热资源开发过程中,高温岩石面临遇水冷却引起的热冲击损伤问题。为了研究高温花岗岩在热冲击作用后的力学特性和损伤演化规律,开展了25～600 ℃范围内不同温度热冲击作用下花岗岩试件的单轴压缩试验,获得了热冲击花岗岩试件的应力?应变关系;提出了一种考虑初始热冲击损伤与加载期间试件微元破裂损伤相结合的热?力耦合损伤本构模型,并对统计损伤本构模型的相关参数进行了理论求解;考虑热冲击损伤引起的孔隙结构劣化效应,引入压密系数对热冲击花岗岩的本构关系进行了修正;通过试验应力?应变曲线对模型的有效性进行了对比和验证,讨论了温度水平对热冲击花岗岩单轴压缩损伤演化规律的影响。研究结果表明,随着热冲击温度的升高,花岗岩试件的初始热损伤不断增大,应力?应变曲线具有明显的非线性压密阶段;引入压密系数修正的统计损伤本构模型能够更加准确地表征热冲击花岗岩在初始加载阶段的非线性压密特征;在热冲击温度较低时,损伤变量演化曲线上升较为陡峭,随着热冲击温度的升高,曲线上升速率逐渐变缓并由非线性向线性转变。      

砂岩Ⅰ型断裂的尺寸效应试验研究

通过对尺寸成等比例的砂岩试样进行三点弯曲试验,研究了I型断裂问题中试样尺寸对砂岩断裂参数的影响.结果表明:随着试样尺寸的增大,名义张拉强度减小,名义断裂韧度和破裂过程区长度增大,三者均为试样尺寸的函数.基于试验结果,引入有效破裂过程区长度cf,建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型,通过理论分析,发现其尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料之间,体现出准脆性材料的尺寸效应特点,并计算得到了不同尺寸试样的破裂过程区长度等断裂参数.为验证该尺寸效应模型在砂岩中的正确性,采用数字图像匹配技术(DIC)测定相应尺寸砂岩试样的破裂过程区长度,测定结果和理论模型计算值相符.      

基于L型回弹仪的岩石力学特性试验研究

通过开展岩石静力学试验获取岩石力学参数对于优化露天台阶爆破方案和改善爆破效果具有重要意义。以国内某露天铜矿矿岩为研究对象,使用冲击动能为0.735 Nm的HM-82L型回弹仪对岩体的力学特性开展原位试验研究。此外,在现场钻取岩芯制备标准试样,使用SET-PLT-02型声波测试仪进行波速测试,并基于MTS-322液压伺服力学试验机开展系列力学试验。现场回弹试验结果表明：矿区南端斑岩的回弹值大于北端矽卡岩的回弹值,且回弹值随岩体风化程度的增大而逐渐减小;室内物理力学试验结果表明岩体波速、单轴抗压强度、弹模与回弹值之间的变化规律基本一致,拟合曲线表明波速、单轴抗压强度与回弹值之间呈线性正相关关系,而弹模与回弹值之间呈指数相关关系,拟合相关系数说明利用回弹值估测岩体波速和基本力学参数是可靠的。研究成果为快速可靠地获取该露天铜矿矿区岩体的基本物理力学指标提供了可靠的技术途径。     

水泥加入量对刚玉基浇注料性能的影响

以板状刚玉、氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥、减水剂等为原料,研究了水泥加入量对刚玉浇注料性能的影响。随着水泥量的增加,试验结果表明:(1)110℃处理后试样的气孔率逐渐降低,体积密度变化不大;中高温处理后,试样的显气孔率增加,体积密度降低;(2)中高温处理后,试样的抗折、耐压强度逐渐增大;(3)中高温处理后,试样的线变化率增大,其中经1 450℃处理后的试样线变化率较高,经过1 650℃处理后,试样的线变化率越来越小;(4)经中高温处理后,试样的狭缝宽度变窄,经过1 450℃处理后,试样的狭缝宽度最窄。     

粉末烧结Cu-C-SnO2多孔材料摩擦磨损特性研究

铜-石墨复合材料是一种优良的导电耐磨材料,但铜与石墨润湿性很差,导致材料的耐磨性能不足。本文通过向原料中加入与石墨亲和性良好的SnO₂,利用粉末冶金的方法制得Cu-C-SnO₂多孔材料,研究了烧结温度及成分配比对烧结体孔隙率、物理特性及摩擦磨损性能的影响。结果表明:烧结体的孔隙率随烧结温度升高而降低,随石墨/SnO₂质量比增大而增大,随非金属/Cu质量比增大而减小;烧结体的密度、硬度、渗油率等与孔隙率密切相关,随孔隙率升高,密度和硬度呈降低趋势,渗油率呈上升趋势;但试样硬度受Cu₂O产生和Cu颗粒再结晶的影响而变化复杂,在烧结温度830℃附近出现突变。干摩擦条件下,试样摩擦磨损特性受材料硬度和石墨相自润滑作用等多重因素影响而变化复杂,随试样硬度和石墨含量的升高而降低;渗油后试样的摩擦磨损特性则主要受油膜润滑控制,与干摩擦相比,相对摩擦因数和磨损率均显著减小,试样磨损率随渗油率的增大而减小,但在石墨/SnO₂质量比0.155附近存在突变。     

层理结构板岩动态断裂特性

基于动力冲击试验和插入黏聚力单元数值模拟方法,对层理结构板岩中心直切槽半圆盘（NSCB）试样在不同冲击速度和层理面倾角下的断裂性能展开研究。讨论了含层理结构岩样中的裂纹路径及其断裂参数。结果表明：冲击速度和层理面倾角对层理结构板岩裂纹扩展影响明显,在冲击速度较小的条件下,裂纹倾向于沿薄弱层理面扩展;随着冲击速度的增加,裂纹沿薄弱层理面扩展的长度逐渐减小,裂纹扩展路径更倾向于忽略薄弱层理面的影响,直接向加载点扩展。在冲击速度一定的情况下,裂纹沿薄弱层理面扩展的长度随层理面倾角的增加亦减小。随着冲击速度的增加,层理结构板岩的断裂韧度也逐渐增加;在给定冲击速度的条件下,层理结构板岩的断裂韧度随着层理面倾角的增加而增大。     

低碳钢固态相变过程的原位观察

利用共焦激光扫描显微镜（CSLM）原位观察了低碳钢升温及降温过程中的固态相变,直接观测出升温时低温铁素体（α）到奥氏体（γ）以及奥氏体（γ）到高温铁素体（δ）的相变温度,和降温时δ到γ以及γ到α的相变温度。结果表明,随着升温速率从75℃／min升至130℃／min,α—γ相变开始温度从961．6℃升至1014．0℃、γ→δ相变开始温度从1351℃升至1386．9℃;降温时随着降温速率的增大（70℃／min增至530℃／min）,γ—α相变开始温度从871．6℃降至858．4℃。在升温速率为130℃／min的情况下,随着升温最大值的提高（1300℃至1480℃）,γ—α相变温度降低,相变开始温度从895．2℃降至858．4℃。     

温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响

为研究高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩巴西劈裂特性,分别对经过25、200、400、600、800和1000 ℃高温处理后的标准砂岩试件进行巴西劈裂室内试验,并基于颗粒流软件开展不同尺寸高温砂岩巴西劈裂数值模拟,研究砂岩巴西劈裂强度及其劣化规律、孔隙率增加相对于裂纹扩展贯通的滞后性规律。研究结果表明:（1）在25～1000 ℃的温度范围和50～100 mm的直径范围内,温度与尺寸效应对砂岩巴西劈裂强度均有显著影响,且尺寸效应影响程度更大。在加热过程中,由于岩石内部首先发生热膨胀,然后在热应力作用下产生损伤,因此砂岩劈裂强度先有所增大,在400 ℃之后持续降低,劈裂强度下降约34.66%～35.10%;随着尺寸增大,岩石内部积聚的能量释放产生大量微裂隙,导致砂岩试样劈裂强度降低,下降约55.61%～56.99%。（2）砂岩巴西劈裂强度劣化幅值与其直径之间满足负指数函数关系,可用于预测不同尺寸高温砂岩的巴西劈裂强度。（3）砂岩在巴西劈裂过程中的孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通滞后的荷载差值随温度升高以及尺寸增大而增大;考虑两因素的耦合作用,尺寸效应对荷载差值的影响程度随温度的升高而降低,温度对荷载差值的影响程度随砂岩尺寸的增大而降低。研究成果对火灾后顶板维护,初步预测顶板强度具有一定参考意义,也可为核废料处理、地热资源开发和深井工程等涉及高温和尺寸变化的岩体工程设计提供有益参考。      

微扰动作用下预静载硬岩的断裂特性研究

为了研究预静载条件下硬岩在微扰动作用下的断裂特性变化规律,采用花岗岩制作中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)试样,在MTS Landmark电液伺服试验机上,利用圆弧形加载方式,进行硬岩在平行于预制裂纹方向的预静载荷和微扰动载荷的组合作用下的断裂特性研究。设定预静载荷水平为常规准静态断裂载荷的90%,设定微扰动载荷幅值为常规断裂载荷值的10%,下限为常规断裂载荷的80%,上限为常规断裂载荷值。扰动频率分别为1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz、50 Hz和70 Hz。研究结果表明:在预静载加载段,岩石试样内部沿预制裂纹方向新的裂纹已经产生发展,并且裂纹扩展的速度随着载荷的增大而增大;在扰动载荷加载段,随着扰动次数的增加,裂纹扩展的速度越来越慢,岩石损伤程度逐渐积累;在断裂破坏段,岩石损伤程度超过了承受极限,裂纹贯穿沿预制裂纹方向贯穿试样,岩石断裂破坏;在预静载作用下,试样已经处于临界失稳状态,扰动作用会诱发试样的断裂失稳破坏,扰动频率超过10 Hz后,减韧效应随着扰动频率的提高并不明显,扰动使得试样的总体变形量有减小的趋势。     

热压制备Mo-Nb-Si系新型高温金属硅化物合金

以Mo粉、Nb粉和Si粉为原料,采用机械活化/热压工艺制备(Mo1-xNbx)5Si3(x=0,0.4,0.6,1.0)型高温金属硅化物.通过XRD、SEM和EDS等分析手段对合金试样进行物相分析、显微组织观察、微区成分分析及力学性能测试.结果表明:合金试样的主要物相为Mo5Si3、α-Nb5Si3、γ-Nb5Si3及其(Mo,Nb)5Si3和β-(Nb,Mo)5Si3固溶体相,Mo有助于高温相β-Nb5Si3的相稳定;随着Nb含量的增加,硬度值呈上升趋势,合金硬度较高,达1 311.5～1 397.5HV;试样的压痕断裂韧度和抗压强度呈先增加后降低的趋势,当x=0.6时断裂韧度和抗压强度达到最大,分别为4.71 MPa·m1/2和1 637 MPa,Nb5Si3和Nbss(Nb基固溶体)有助于合金断裂韧度的提高.     

SHS法合成La1-xSrxMnO3的烧结性能

采用SHS法制备了SOFC阴极材料La1-xSrxMnO3（LSM）}研究了不同温度下烧结LSM强度、相对密度与掺Sr量的关系，烧结试样的孔隙率以及膨胀系数随温度的变化关系。结果表明；随着Sr含量的增加，合成LSM粉末的粒度增大，烧结试样的相对密度略有降低；较高的烧结温度有利于降低试样的孔隙率；烧结LSM的热膨胀系数与YSZ匹配较好。