原状冻土Ⅱ型非线性断裂韧度实验测试研究

由于原状冻土处于自然状态下,其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态,而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏,所以论文采用了非线性冻土断裂实验模型,对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验,着重对Ⅱ型断裂(剪切)破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究.实验过程中改造了四点弯曲实验台,采用着色法测量预制裂纹尺寸.实验原理采用基于能量平衡的方法,利用数据采集系统分别测出了原状冻土四点弯曲试样加力点处位移与力的关系曲线以及相应的非线性参数,推导出裂纹扩展非线性能量释放率计算公式,当试样达到承载极限状况时测试出Ⅱ型断裂试样非线性断裂韧度.同时,提出了修正因子计算非线性断裂韧度的方法,将能量方法测试结果与修正因子方法结果进行了对比,二者基本是一致的.以上提出的冻土Ⅱ型断裂非线性断裂韧度测试方法,及获得的非线性断裂韧度测试结果,为非线性理论研究和工程应用提供了依据.     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

内聚力模型的形状对胶接结构断裂过程的影响

内聚力模型被广泛应用于粘接结构的断裂数值模拟过程中,为深入分析不同形状内聚力模型与胶黏剂性质和粘接结构断裂之间的关系,本文分别采用脆性和延展性两种类型胶黏剂,对其粘接的对接试件进行了单轴拉伸、剪切实验,以及其粘接的双臂梁试件进行了断裂实验.3种类型的内聚力模型(抛物线型、双线型和三线型)分别模拟了以上粘接结构的断裂过程,并与实验结果进行对比.结果发现:双线型的内聚力模型适用计算脆性胶黏剂的拉伸与剪切的断裂过程;指数型内聚力模型较适合计算延展性胶黏剂的拉伸和剪切的断裂过程,临界应力、断裂能和模型的形状参数是分析拉伸和剪切的重要参数;双臂梁试件的断裂过程模拟结果发现,断裂曲线与胶黏剂性质有关,内聚力模型形状参数也有影响.通过实验与计算结果分析,双线型内聚力模型更适合脆性胶黏剂粘接的双臂梁断裂计算,而三线型更适合计算延展性胶黏剂粘接的双臂梁断裂过程,此研究结果对胶黏剂的使用和粘接结构的断裂分析有很重要意义.     

Al／SiCp复合材料微裂纹产生的原位研究

本文用扫描电镜下的单面缺口拉伸试验，考察了Ａｌ／ＳｉＣｐ试样的空穴的生成，裂纹的扩展以及裂纹前端微断裂区，指出该材料变脆的原因是由于微断裂区中的一次空穴所造成的。     

高导无氧铜杆的冲击拉伸断裂系列实验以及基于样本体积单元的分析

采用Hopkinson装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了无刻槽高导无氧铜 (OFHC)杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。当冲击拉伸速度大于40m/s时,断裂位置总在冲击拉伸端附 近,此速度被确定为OFHC的实验临界冲击拉伸速度。一种受单轴冲击拉伸荷载的、中心含椭球空穴的样本 体积单元被用于数值模拟所含空穴的增长与失稳的过程。OFHC的J-C与Z-A 本构关系用于描述基体材料 的动态响应。讨论了空穴失稳条件并提出以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的样本体积单元平均径 向应变与无刻槽杆的冲击断裂应变。也用这种样本体积单元模型分析了OFHC的实验临界冲击拉伸速度。     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

复合型韧性断裂实验和控制参数

通过对不同韧性材料在各种平面复合载荷形式下裂纹启裂阶段裂端变形、启裂位置和扩展方向的系统的宏微观实验验证及计算分析,考察了韧性断裂参数空穴扩张比的分布特征和裂纹启裂及扩展方向的关系．得到：对于不同韧性的材料,在裂端的钝化变形区域,空穴扩张比的极大值区对应干裂纹的启裂位置,裂纹启裂时钝化裂端前缘空穴扩张比的临界值不敏感于复合比的变化．而对于裂纹启裂后的扩展方向,则需根据具体材料在相应的特定区域中比较空穴扩张比参数极大值的分布特征,需经进一步的分析,从而确定裂纹的扩展方向．实验及计算结果表明,尽管复合型断裂时裂纹启裂及扩展的机理极其复杂,用于韧性材料复合型断裂的空穴扩张比参数仍能很好地预测裂端的启裂及扩展方向,可作为复合型韧性断裂过程的控制参数．     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验,获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系;基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线,采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线,以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟.载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性,表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性.对应9种材料、10类试样的36个载荷-位移临界断裂点,通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度,研究表明,第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量;通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态,提出了-1至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.     

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在?1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。     

基于J-C模型的镁合金MB2动静态拉伸破坏行为

为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为,利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB),对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载;拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系,建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则,并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟;利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明,随着应力三轴度的增加,镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小,宏观破坏模式由剪切转为正拉断,微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂;而随着应变率的增加,等效破坏应变不断减小,破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。     

CF钢临界空穴扩张比参数的测试研究

本文概要介绍了新的韧断特性参数,即临界空穴扩张比的宏观形式 V_(GC)和细观形式 R_c/R_o 的测试方法及对 CF 钢制试件的实测结果.论述了宏观参数 V_(GC)与细观参数 R_c/R_o 二者的关系.阐明了临界空穴扩张比判据的物理意义.     

Mechanical modelling of ductile fracture

Mechanical models of material failure by void growth to coalescence are described to give a brief overview of methods applied in the analysis of ductile fracture. Approximate constitutive relations for porous ductile materials are discussed, modelling both the nucleation and growth of voids. The application of the material models is illustrated by numerical analyses for a tensile test specimen and for dynamic, ductile crack growth. Unstable void growth is a relevant mechanism in ductile materials subject to a high level of triaxial tension. The analysis of such cavitation instabilities in elastic-perfectly plastic materials is discussed for axisymmetric stress states, and the relevance to metal/ceramic components is emphasized.General Lecture presented at the 10th Italian National Congress of Theoretical and Applied Mechanics; AIMETA, Pisa, October 1990.     

伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时,将们随着微孔洞的萌生和生长,孔洞的萌生和深化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度,以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程。从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响,通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型,建立塑性增量本构关系,然后针对定常扩展情况直接进行分析,孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划,而在孔洞汇合模型中,上     

用三维电镜图像数据测试空穴形状

用碳化硅强化金属基复合材料制作的不同切口的拉伸试样进行了拉伸试验并使用三维电子扫描显微镜对拉伸延性断面进行了微小空穴的三维形状测试，分析了在不同应力三维度下空穴聚合时空穴几何形状的变化，为准确模拟金属基复合材料在多向外载荷下的损伤过程，判断延性损伤机理提供了科学依据。     

Random-fuzzy model for the ductile/brittle transition

IntroductionTheductile brittletransition (DBT )ofsteelalloysisinfluencedbythematerialmicrostructureandtestingtemperature[1].Availablereferencesrangingfromanalyticalapproachtoempiricaltestsaretoonumeroustolist.Mostofthesemodesaredeterministic ,whichdidnottaketherandomnessoftheparametersandman_madeerrorintoconsideration .Thebasicproposesofthispaperistounderstandthetransitionbyanewrandom_fuzzymodel.Theductile brittletransitioninvolvestheductilefracture ,brittlefractureandthetransition .Inacerta…     

A void–crack nucleation model for ductile metals

A phenomenological void–crack nucleation model for ductile metals with secondphases is described which is motivated from fracture mechanics and microscale physicalobservations. The void–crack nucleation model is a function of the fracture toughness of theaggregate material, length scale parameter (taken to be the average size of the second phaseparticles in the examples shown in this writing) , the volume fraction of the second phase, strainlevel, and stress state. These parameters are varied to explore their effects upon the nucleationand damage rates. Examples of correlating the void–crack nucleation model to tension data in theliterature illustrate the utility of the model for several ductile metals. Furthermore, compression,tension, and torsion experiments on a cast Al–Si–Mg alloy were conducted to determinevoid–crack nucleation rates under different loading conditions. The nucleation model was thencorrelated to the cast Al–Si–Mg data as well.     

Modeling of crack growth in ductile solids: a three-dimensional analysis

A population of several spherical voids is included in a three-dimensional, small scale yielding model. Two distinct void growth mechanisms, put forth by [Int. J. Solids Struct. 39 (2002) 3581] for the case of a two-dimensional model containing cylindrical voids, are well contained in the model developed in this study for spherical voids. A material failure criterion, based on the occurrence of void coalescence in the unit cell model, is established. The critical ligament reduction ratio, which varies with stress triaxiality and initial porosity, is used to determine ligament failure between the crack tip and the nearest void. A comparison of crack initiation toughness of the model containing cylindrical voids with the model containing spherical voids reveals that the material having a sizeable fraction of spherical voids is tougher than the material having cylindrical voids. The proposed material failure determination method is then used to establish the fracture resistance curve (J–R curve) of the material. For a ductile material containing a small volume fraction of microscopic voids initially, the void by void growth mechanism prevails, which results in a J–R curve having steep slope. On the other hand, for a ductile material containing a large volume fraction of initial voids, the multiple voids interaction mechanism prevails, which results in a flat J–R curve. Next, the effect of T-stress on fracture resistance is examined. Finally, nucleation and growth of secondary microvoids and their effects on void coalescence are briefly discussed.     

一个新的普遍形式的局部损伤断裂准则

利用损伤函数概念，建立了一个普遍形式的局部断裂准则。该准则考虑了局掊应力，应变和损伤历史对断裂的影响，根据损伤力学理选取了一个新的连续损伤函数，从而导出一个新的连续损伤断裂准则。新的临界断裂参数ＷＤＣ，具有明显的物理意义，且易通过试验测得，是一个不依赖于应力状态的材料九。文中还从细观力学理论和有关的试验资料出发，选取了相应的损伤函数，再现了前人的细观力学准则和经验准则。     

金属材料脆性断裂机理的实验研究

材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明:韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。