高压脉冲放电技术在金属裂纹止裂中的应用

如何产生高强度脉冲电流是应用电磁热效应遏制金属裂纹研究的一个关键问题.本文介绍了高压脉冲放电装置的工作原理;从理论上分析了充电电压、回路参数与放电电流幅值、放电周期之间的关系.在此基础上,自主设计、开发了一套高压脉冲放电装置.采用它对金属模具钢中裂纹进行了脉冲放电止裂实验.放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的.由于脉冲放电快速加热和冷却,在裂纹尖端处实现了冲击淬火,得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织,提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性,试验结果验证了该装置的有效性,本文的成果为采用电磁热效应对金属模具裂纹止裂提供了实验技术基础.

含环向裂纹厚壁圆筒电磁止裂的应力场分析

以具有轴对称性质、端部带有半埋藏环形裂纹的厚壁圆筒为研究对象，通过对长厚壁圆筒内外环面均匀通入超强脉冲电流进行电磁热止裂。采用复变函数方法求解了脉冲放电瞬间裂纹尖端的温度场和热应力场。在一定的超强脉冲电流作用下，由于环形裂纹尖端的电流绕流热集中效应，裂尖温升超过了金属熔点，使裂尖处金属熔化在内部形成堆焊，钝化了裂尖，并且在裂纹前缘形成了热压应力，阻止了裂纹的扩展。在此基础上还讨论了在电载荷和机械载荷共同作用下裂纹前缘的应力场。

圆夹杂内裂纹对SH波的动力响应

利用特殊函数的Graf加法公式和波函数展开方法得出了圆夹杂内作用集中力的格林函数。根据Bessel函数的渐近性质，对所得格林函数的奇异部分和有界部分进行了分离。利用所得的格林函数和互易定理得出了圆夹杂内裂纹在SH波作用下的散射场。根据裂纹的散射场建立了圆夹杂内裂纹的超奇异积分方程。对超奇异积分方程的数值求解，可得裂纹端点的动应力强度因子。

具有圆弧裂纹载流薄板的温度效应分析

给出含有圆弧裂纹的载流薄板在通入强大脉冲电流瞬间,裂纹尖端处温度场分布的复变函数解.该解是在首先求解通电瞬间,裂纹尖端处所形成的点热源功率的情况下得到的.它为进一步求解裂纹尖端处的应力场奠定了基础.文中给出的算例表明,适当控制通入的电流强度,可以达到有效控制裂尖熔化区尺寸以及形成焊口的目的.

The Effect of the Thickness of Fe2 Al5 Phase Layer at Fe/Al Interface on the Mechanics Behavior of Hot Dip Aluminizing Coating

Hot Dip Aluminized Coatings with different thickness were prepared on Q235 steel in aluminum solutions with different temperature for certain time. Through tensile tests and in-situ SEM observations, the effect of the coating's microstructure on the tensile strength of the samples was studied. It was disclosed at certain aluminum solution temperature,transaction layers mainly composed of Fe2 Al5 phase got thicker with time prolonging, and this changed initial crack's extending direction from parallel with to vertical with stretching direction. The change in crack direction decreased tensile strength of samples, thus made the coating easy to break. It was concluded that the existence of thick Fe2 Al5 phase layer was the basic reason for the lowering of tensile strength of the coating.

Cracks in saturated sand

The formation mechanism of water film (or crack) in saturated sand is analyzed numerically It is shown that there will be no stable "water film" in the saturated sand even if the strength of the skeleton is zero and no positions are choked. The stable water films initiate and grow if the choking state keeps unchangeable once the fluid velocities of one position decreases to zero in a liquefied sand column. A simplified method for evaluating the thickness of water film is presented according to a solidification wave theory. The theoretical results obtained by the simplified method are compared with the numerical results and the experimental results of Kokusho.

Molecular dynamics studies of brittle fracture of SiO2

By applying for molecular dynamics (MD) simulation and Griffith fracture criterion, the brittle behavior of crack extension of mode I type is investigated. The critical stress intensity factor (SIF)K-Ic(MD) of crack extension is calculated, and the evolution of atoms near crack tip is observed. It is found that K-Ic(MD) is in good agreement with the Griffith ftacture criterion K-Ic(Griffith).

Experimental investigation of Very-High-Cycle Fatigue behavior for a structural steel

Very-High-Cycle Fatigue (VHCF) test for a medium carbon structural steel (40Cr) has been performed and a stepwise S-N curve was obtained by employing cantilever-type rotary bending fatigue machine with hourglass shape specimen. The S-N curve was well explained as a combination of curves for surface-induced fracture and interior inclusion-induced fracture with fish-eye patterns. The morphology of the fish-eye pattern was illustrated in order to clarify subsurface crack initiation and propagation behavior.

力学2000

本书收录关于力学领域的论文301篇。内容包括：回顾20世纪力学在中国的发展，描绘了2000年中国和世界在力学各主要领域的发展现状；展望力学在21世纪的发展方向，探论新世纪中可能面临的新的重大力学等问题。

颗粒增强铝基复合材料冲击疲劳裂纹扩展的行为和机理

本文针对发展新一代步兵战车复合材料履带板所面临的关键问题，结合其实际受载特点，设计制备了冲击疲劳实验加载装置，并着重从实验设计及机理分析上进行细致深入的探索，揭示了Al_2O_3/LC_4复合材料冲击疲劳破坏的微观过程和机理。首先分别对SiC_P/LC_4、Al_2O_(3P)/LC_4 及基体 LC_4 进行了显微组织的观察与定量分析，并对其拉伸、三点弯曲破坏过程进行了在位观察，结合其断裂形貌的观察与分析，揭示出颗粒增强铝基复合材料断裂破坏的根本原因是颗粒的聚集及脆性相在晶界的严重偏聚。针对这一结论，给材料制备单位提出工艺改进意见。对工艺改进后制备的复合材料进行常规力学性能的测试，结果表明，其拉伸性能明显优于改进前制备的相应材料。为了进行冲击疲劳的实验研究，在分析步兵战车履带板实际受载特点的基础上，自行设计制备了冲击疲劳实验的加载装置。主要包括主体框架和测量系统，前者与小型振动系统配合使用可以实现冲击能量为 0.3J、冲击频率为 1Hz、冲击速度为 0.6m/s 的多次冲击实验；后者可以准确记录下任意时刻的冲击载荷波形及冲击疲劳载荷的循环数。为了考察颗粒与加载速率对复合材料疲劳机理的影响，实验研究了 Al_2O_3/LC_4 复合材料和 LC_4 纯基体材料在冲击疲劳和常规疲劳过程中裂纹的扩展过程及扩展速率。综合结果发现：与LC_4纯基体材料相比，Al_2O_3/LC_4复合材料疲劳裂纹扩展得更为迅速。复合材料中，由于颗粒的加入，两种疲劳方式下袭纹都发生严重偏转；裂纹经过颗粒时，多数是绕过，少数是切过颗粒；冲击疲劳裂纹扩展速率明显高于常规疲劳裂纹扩展速率。纯基体材料中，两种加载方式下，裂纹基本都以穿晶的方式扩展，裂纹常常表现为小锯齿状；冲击疲劳裂纹尖端的塑性变形程度比常规疲劳更大；冲击疲劳裂纹比常规疲劳裂纹更曲折，表现出多尺度的锯齿状（Zig-Zag）特征；冲击疲劳裂纹扩展速率高于常规疲劳的裂纹扩展速率。在基本实验的基础上，进一步对断口及裂纹扩展途径进行了微观观察和定量分析，最后综合全文的实验和统计结果，讨论了颗粒增强铝基复合材料的冲击疲劳机理。复合材料疲劳裂纹扩展速率的提高主要与裂纹的偏转有关，裂纹更倾向于沿着颗粒与基体的界面扩展；两种材料的疲劳裂纹扩展速率均随加载速率的增加而增加，呈现加载速率的反作用。加载方式的改变，一方面，由于冲击情况下载荷持续时间降低，使裂纹扩展速率降低；另一方面，加载速率的提高使得断裂韧性值降低，材料变脆，裂纹扩展速率升高。这两个方面相互影响，相互竞争，决定实际的裂纹扩展速率。两种材料中，不同加载速率下的疲劳裂纹扩展的微观机制基本一致，没有明显的本质区别。

层片TiAl合金的微结构对力学行为的影响

本论文针对可能应用于叶片零部件的铸造全层片TiAl基合金进行了多方面的实验研究。目的着重于观测该材料的力学性能对微结构因素的敏感性及其失效行为，并以裂纹萌生为线索探讨其相关的物理和力学内禀机制的表征。研究工作涉及到多种跨越毫米尺度的宏－细－微观力学测试方法和技术，其中，新型试样的应力分析和可行性说明针对于脆怀板材试样并具有良好自对中能力的夹具设计是成功的。单调拉伸实验和拉一拉疲劳实验得到了所研究试样的基本力学性能和影响疲劳性能的微结构敏感因素，如晶粒取向、晶粒大小等。实验研究重点说明了层片取几因素对疲劳抗力的影响一与拉伸轴方向平行的晶粒具有最好的裂纹萌生抗力。扫描电镜和透射电镜下的原位拉伸实验得到了沿层片裂纹萌生的等征，这些等征包括：层片裂纹与拉伸轴夹角呈40°／60°／90°的方向倾向性、裂纹沿γ相真孪晶层片界面萌生的位置倾向性等。纳米压痕实验和原子力显微实验证了层片的弹性模量差异，为宏一细一微观分析提供了依据。分析和讨论工作针对于沿层片萌裂纹的方向的选择性和位置的倾向性等实验现象，以宏观界面力学方法和晶体学理论，侧重表征了与层间变形特性相关的力学和物理机制：（１）以模理量失配理论为基础提出了等效失配概念，得到瞪层片TiAl合金的等效失配度为0.16；（2）以界面能量释放率断裂准则为基础，提出了模式因子（TiAl,0.24）方法来评价拉、剪力的耦合作用；（3）根据以汤普森四面体所构筑的γ层间组合模型，并采用γ层片的惯习面间异类原子对数（NAT值）、穿层几何协调因子和穿层几何协调加和因子等方法分别表征其原子结构尺度下的界面结全强度和层间变形的位错协调性。分析和讨论重阐明了全层片TiAl有序合金的层间抗剪切能力较弱和γ层间真孪晶界面易于裂纹萌生等结果。

纤维增强复合材料裂纹动态起始行为的研究

本论文主要研究线弹性纤维增强复合材料在冲击载荷作用下裂纹的动态起裂行为。全文共分六章。第一章对裂纹动态起始问题的研究方法和纤维增强复合材料中裂纹动态起始问题的国内外研究现状进行了综述，确定了本论文的主要研究内容和研究方法。第二章用有限元方法研究有限尺度含裂纹纤维增强复合材料板在阶跃冲击载荷作用下的动力响应，分析了裂尖附近的应力分布、应力波在板中的传播和应力强度因子时间历程。第三章根据第二章的计算结果用线弹性简单梁理论和拉格朗日运动方程研究了各向同性材料和纤维增强复合材料中裂纹在阶跃冲击载荷作用下的动力响应和起裂行为，得到了应力强度因子初始上升阶段的数学表达式和裂纹起裂的临界载荷面。第四章提出了用于单向和层合纤维增强复合材料裂纹静态和动态起始预测的拟应力强度因子比准则。该准则将裂纹的起裂和起裂方向的预测合二为一，只需测定材料的四个基本动态断裂韧性，就可据此准则对任意角度单向板中裂纹的起裂和起裂方向进行预测，用于层合板时，还可以对铺层裂纹的起裂顺序进行预测。第五章用SHTB（分离式Hopkinson拉杆）技术对纤维增强复合材料裂纹动态起始问题进行了实验研究。测量了碳纤维增强环氧树脂复合材料板裂纹起裂的I型动态断裂韧性，并首次验证了拟应力强度因子比准则在裂纹动态起裂预测中的合理性。第六章对全文进行了总结，归纳了本论文的主要结论，并展望了今后的研究工作。

受冲击的饱和砂土产生裂缝和通道的实验研究

本文首先对饱和砂土在动载荷下的液化、密实和结构破坏等方面做了文献综述，同时也叙述了化工冶金中的液固流态化的有关情况。本文探讨了饱和砂土中产生水平裂缝和纵向通道等现象的机理。为此，进行了扁平砂柱的落锤冲击实验和模拟圆柱落锤冲击实验中产生水平裂缝和纵向通道等现象的底部加压实验。扁平砂柱落锤冲击实验的目的是为了更清楚地观察饱和砂土结构破坏和孔隙水流动的情况，观察纵向通道和水平裂缝的产生和发展，以及水平裂缝和纵向通道之间的联系。为了探讨水平裂缝和纵向通道产生的条件和机理，设计和进行了底部加压实验，用来模拟落锤冲击实验的后期变形和渗流效应，测量出现水平裂缝和纵向通道时的超孔隙水压力和平均水流速度，统计分析采用什么样的参数可以表征水平裂缝和纵向通道的出现及其特性，发现液化指数等于1是出现水平裂缝的必要条件。此外，针对含有细砂层的饱和砂土在该层出现水平裂缝的现象，提出了一个简化模型，推导出砂柱的液化指数一维分布，根据液化指数等于1才能出现水平裂缝，能够说明水平裂缝出现的条件和位置。

粘弹性材料界面裂纹的瞬态响应和散射研究

本文研究粘弹性材料界面裂纹对冲击载荷的瞬态响应和对广义平面波的稳态散射。相对于已有广泛研究的弹性材料裂纹瞬态响应和稳态散射问题，本文的研究有三个突出特点：1）粘弹性材料；2）界面裂纹；3）广义平面波入射。粘弹性材料界面裂纹对冲击载荷的瞬态响应和对广义平面波的散射尚无开展研究，本文在弹性材料相应问题的研究基础上，首先开展了这一问题的研究。对于冲击载荷下粘弹性界面裂纹的瞬态响应问题，利用Laplace积分变换方法，将粘弹性材料卷积型本构方程转化为Laplace变换域内的代数型本构方程，从而可以在Laplace变换域内象处理弹性材料的冲击响应一样，将相应的混合边值问题归结为关于裂纹张开位移COD的对偶积分方程，并进一步引入裂纹位错密度函数CDD （Crack Dislocation Density），将对偶积分方程化成关于CDD的奇异积分方程（SIE）。用数值方法求解奇异积分方程得到变换域内的动应力强度因子数值解，最后利用Laplace积分逆变换数值方法得到时间域内的动应力强度因子的时间响应。理论分析考虑了两种裂纹模型，即Griffith界面裂纹和柱面圆弧型界面裂纹。考虑的载荷包括反平面冲击载荷和平面冲击载荷。对于平面冲击载荷，通过对裂尖应力场的奇性分析，首次发现粘弹性界面裂纹裂尖动应力场奇性指数不是常数0.5，而是与震荡指数一样依赖材料参数。针对反平面冲击载荷给出了一个算例，计算了裂尖动应力强度因子的时间响应，并与弹性材料的结果作了比较，发现粘弹性效应的影响不仅使过冲击峰值降低，而且使峰值点后移。粘性效应较大时，过冲击现象甚至不出现。关于粘弹性界面裂纹对广东省义平面波的散射问题，首先研究广义平面波在无裂纹存在的理想界面的反射和透射，再研究由于界面裂纹的存在而产生的附加散射场。利用粘弹性材料的复模量理论，可将粘弹性材料的卷积型相构方程化成频率域内的代数型本构方程。类似弹性平面波的处理，在频率域内将问题最终归结为关于裂纹位错密度CDD的奇异积分方程。数值方法求解奇异积分方程即可得到频率域内的散射场，并进而得到裂尖动应力强度因子和远场位移型函数和散射截面。理论分析考虑了两种裂纹模型：Griffith界面裂纹和柱面圆弧型界面裂纹。研究的入射波有广义的SH波和P波。对于广义平面P波入射的情况，通过对裂尖应力场的奇性分析，同样发现粘弹性界面裂纹裂尖动应力场奇性指数不地常数0.5，而是与震荡指数一样依赖于材料参数。对柱面裂纹散射远场的渐近分析，发现远场位移和应力除含有几何衰减因子外，都含有一个材料衰减速因子。散射截面由于材料衰减因子的存在也成为依赖散射半径的量。为了使散射截面仍有意义，文中提出一种修正办法。对Griffith界面裂纹，给出了一个广义平面SH波入射的算例；对柱面界面裂纹，给出了一个广义平面P波入射的算例。计算了不同入射角和入射频率下裂纹的张开位移和动就应力强度因子，并分析了其依赖关系。求解奇异积分方程的数值方法和Laplace积分逆变换数值方法是本文的基本数值方法。本文对这两种方法作了大量的调研和系统的研究。在对比分析的基础上，对现有的各种方法从原理，适用范围，计数效率，优势及特点进行了归纳总结。并尝试了奇异积分方程的最新数值方法--分片连续函数法，证实了其适用性和方便性．

韧性材料裂纹尖端孔洞群体损伤演化的实验和模拟

长期以来，材料的孔洞损伤一直是力学家和材料学家所关注的焦点之一，相应的研究方法很多，所得到的成果也很丰富。但是这些研究大部分是基于单个孔洞或有限个孔洞来考虑的，很少将大量的孔洞损伤作为整体来探讨。本文就是考虑到在韧性金属合金材料的破坏和失效过程中，往往是有大量的孔洞损伤参与其中的。我们试图将这些作为整体来考虑，并着重对初始裂纹钝化扩展过程的裂尖前沿来进行研究和讨论。本文从微孔洞数密度守恒方程出发，讨论了裂尖前沿孔洞损伤数密度群体化的方程以及它的解，探讨了损伤各阶矩的分布形式和演化规律。并且对一个系列低碳合金钢样品的I型初始裂纹的钝化扩展和断口孔洞的观察和统计的结果与计算模拟的结果进行了比较，得到了相同的趋势。计算模拟和试验的结果表明，在裂尖前沿孔洞损伤的群体演化过程中，损伤矩的分布是随着离开裂尖距离增加而减少的，并且这种分布随时间增加而且增加，并且趋于稳定分布。最后根据实验中反映出来的由于材料内部的不均匀等造成的孔洞损伤演化的不均匀性，引入随机涨落的概念导出局域孔洞数密度演化守恒方程来探讨这种不均匀性，通过模拟计算得到平均场理论和局域孔洞数密度守恒理论的差异，并由全场孔洞数密度演化守恒方程的分析来证实这个差异。