万建松[1]2001年在《压痕实验的计算模拟及小晶界的疲劳响应》文中认为本文对单相材料和双相材料的压痕实验进行了计算模拟，建立了压痕实验数据与材料性能之间的关系，给出了确定薄膜力学性能的方法，即过分析压痕实验所得的实验数据可得到薄膜的弹性、塑性、蠕变性能。本文首先在单相材料理论弹性解的基础上，基于能量法给出了双相材料具有一阶精度的理论弹性解，并与有限元的数值解进行了比较，二者吻合良好。在数值解的基础上，发现薄膜的厚度与压头半径的比值以及薄膜的泊松比对一阶近似解的精度影响不大。并通过等效剪切模量的定义，给出了确定薄膜剪切模量与弹性模量的方法；其次对压痕蠕变实验进行了计算模拟，定义了相应于传统单轴蠕变实验的“等效应力”和“等效应变”，建立了压痕蠕变实验同传统单轴蠕变实验之间的关系，给出了确定薄膜蠕变应力指数和蠕变常数的方法。在模拟计算中，发现压痕蠕变实验可能存在两个稳定阶段，第一个稳定阶段可用于建立压痕蠕变实验同传统单轴蠕变实验之间的关系。同时数值解的结果说明，实验中通过控制压痕深度不超过薄膜厚度的5-10％，忽略基体硬化指数对薄膜性能确定的影响存在一定的误差。但基体弹性弹性模量对确定薄膜的蠕变性能影响不大；并对压痕实验进行了塑性计算模拟，通过对压痕数据的拟合分析，给出了采用多项式来描述压痕载荷与膜、基材料力学性能参数间的函数关系。并分析了将压头尖端处理成平台的方法来模拟压头钝化的合理性，给出了确定薄硬化指数和屈服强度的具体方法。 对晶界平行裂纹和晶界垂直裂纹的双晶体进行叁点弯曲疲劳实验，研究了双晶晶界的疲劳裂纹扩展规律，测定了双晶的疲劳扩展速率，揭示了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应：当裂纹距晶界某一特定长度时，裂纹扩展速度最快；而裂纹顶端交于晶界时，裂纹扩展速度最慢。进一步的晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理：裂纹的扩展速度与裂纹顶端的应力场，而裂纹顶端的应力场又与晶粒和晶界的相对位置有关。
韩逢博[2]2016年在《Ti-6Al-4V合金纳米压痕变形与高周疲劳行为CPFEM研究》文中研究指明Ti-6Al-4V合金因具有比强度、比刚度高及韧性好等优良特性被广泛应用于制造航空航天结构件。对于承受交变载荷的航空航天结构件,高周疲劳(HCF)失效是其主要失效方式之一。尽管研究者们针对钛合金的高周疲劳行为开展了大量的研究,但是关于显微组织以及循环加载条件对钛合金高周疲劳行为的影响规律目前仍存在争议,对疲劳损伤机理认识仍不够深入。本文以数值建模仿真与理论分析为主,并结合一定的实验验证,对Ti-6Al-4V合金的纳米压痕变形和高周疲劳行为进行了深入的研究,主要研究内容和结果如下:分别基于曲率驱动晶粒生长元胞自动机模型与剖分Voronoi晶粒法建立二维与叁维等轴、双态、全片层组织模型,并开发了基于ABAQUS平台的钛合金微观组织建模软件。通过在率相关晶体塑性本构模型中引入非局部的几何必需位错(GND)密度,并采用一种改进的Armstrong-Frederick非线性运动硬化方程考虑循环软化效应,建立了适用于钛合金循环加载的非局部晶体塑性本构模型。采用载荷控制和位移控制两种加载模式对等轴组织和双态组织的Ti-6Al-4V合金进行纳米压痕实验,结合局部与非局部晶体塑性有限元模拟,研究了影响α相纳米压痕变形行为的各个因素,分析了pileup的成因。单次纳米压痕结果表明,晶粒取向对α相纳米压痕行为影响显著;晶界对纳米压痕变形行为有一定影响,压头尖端距晶界越近其影响越大;Berkovich压头方向对pileup形态影响较小;α相纳米压痕形成的pileup主要源于柱面滑移系开动引起的局部应变累积;Pileup形态随纳米压痕加载及卸载的过程而演变,卸载阶段的弹性恢复对pileup的高度影响显着。循环纳米压痕结果表明,α相表现出循环软化现象,不同晶粒取向下的循环软化程度不同。宏观应变控制循环变形实验发现,等轴组织和双态组织的Ti-6Al-4V合金在循环变形初期表现出循环软化效应,等轴组织的软化幅度大于双态组织。采用晶体塑性有限元法(CPFEM)研究了组织因素(初生α相体积分数、α片层宽度、晶体取向分布)和循环加载条件(应力水平、应力比、加载频率)对Ti-6Al-4V合金高周疲劳过程中的循环微塑性行为的影响。结果表明,在循环变形的初期,随着循环周次的增加,塑性应变不断积累,GND密度也不断增大;塑性应变主要集中于处于软取向的晶粒,GND主要集中于晶界处。在相同的循环加载条件下,平均等效塑性应变随初生α相体积分数的增大和α片层宽度的增大而增大;平均GND密度随初生α相体积分数的增大和α片层宽度的增大而减小;晶体取向分布显著影响塑性应变的分布,而对GND密度的影响较小。在相同的组织(双态)下,平均等效塑性应变和平均GND密度均随应力水平的增大、应力比的增大和加载频率的减小而增大。对大量等轴组织和双态组织统计体积单元进行循环载荷下的晶体塑性有限元模拟,结合极值统计,研究了组织因素和循环加载条件对Ti-6Al-4V合金高周疲劳行为的影响。研究表明,等轴组织中晶粒尺寸越大,Fatemi-Socie疲劳指示参数(FS-FIP)的特征极大值越大,即越容易形成疲劳裂纹;出现FS-FIP极值的晶粒取向主要位于基面滑移系施密特因子在0.35~0.5的范围内,在该范围内柱面滑移系的施密特因子主要介于0.25~0.4,即晶粒位于基面滑移系易于开动的取向时更容易产生疲劳裂纹。双态组织中初生α相体积分数越小,FS-FIP的特征极大值越小,其抗疲劳裂纹萌生能力越强;初生α相晶粒中的疲劳指示参数的特征极大值大于片层团晶粒,表明疲劳裂纹更易于在初生α相晶粒中形核;片层团中α片层宽度越小,FS-FIP特征极大值越小,表明α片层宽度越小组织的抗疲劳性能越好。对于等轴组织,循环加载的应力水平越高、应力比越大、频率越低,FS-FIP的特征极大值越大,越容易形成疲劳裂纹;应力水平越低、应力比越小、频率越低,FS-FIP极值的分散性越大,疲劳裂纹的形成对组织越敏感。对组织因素进行极值统计分析时,GND密度极值规律与FS-FIP规律不一致,而对循环加载条件进行极值统计分析时其与FS-FIP规律一致,表明GND密度作为FIP适用于研究循环加载条件对高周疲劳行为的影响,而不适用于研究组织因素对高周疲劳行为的影响,这是由GND的尺寸依赖本质所决定的。
方旺胜[3]2006年在《层状Sr-Bi-Ti-O铁电材料的制备及其性能研究》文中提出铁电存储技术已经开始成为存储技术领域的新兴技术和重要经济增长点,其基本原理是利用铁电材料能够沿着外加电场方向产生极化,且这种极化状态可以随外电场发生反转,因此铁电存储器材料一方面要求有高的剩余极化强度,另一方面又要求有好的抗疲劳性,同时还需要有高热稳定性,大保持力,低漏导电流和与半导体集成技术相兼容的成膜温度等优点,研究已发现铋系层状铁电材料(BLSF)是铁电存储器的最佳候选材料,尤其是同系列Sr_mBi_4Ti_(m+3)O_(3m+3)(SBTm)铁电材料,但是目前不同m值的材料又具有各自致命的弱点而限制了其实用化进程,因此利用固溶、共生、取代和掺杂等技术对现有BLSF材料进行复合改性是一种趋势。这种改性必须建立在掌握该系列不同m材料各自的制备、结构及性能的基础上。可见,如果能够系统分析该系列材料的合成机理,以及相应性能随结构的变化关系,对制备高性能且实用性的铁电存储器材料具有非常重大的意义。 本文研究了同系列Sr_mBi_4Ti_(m+3)O_(3m+3)(m=3,4,5和6)铁电材料,首先成功制备出了m从3到6的铁电陶瓷,确定了该系列陶瓷材料最佳预烧温度是800℃,最佳烧结温度分别是900、1090、1180和1190℃,介电常数随着m增大而逐渐增大,而对应的损耗因子和居里温度则恰好相反。同时材料的剩余极化强度随m增大呈减小趋势,且与m值的奇偶有关。 其次利用溶胶凝胶法克服了固相反应法中反应不完全的劣势而成功制备了Sr_3Bi_4Ti_6O_(21)(SBT6)材料,并通过A位掺Pb制备Pb_(3x)Sr_(3(1-x))Bi_4Ti_6O_(21)材料,因受A位大半径pb~(2+)的影响,相应的居里温度、介电常数、损耗因子均随着Pb掺杂量的增大而逐渐减小。 最后通过A位掺Pb利用溶胶凝胶法制备BTO(m=3)薄膜,一方面由于Pb~(2+)较Bi~(3+)半径大,引起晶格膨胀;另一方面由于A位Bi~(3+)被低价的Pb~(2+)取代,因而形成相应的带正电荷的氧空位,同时由于Pb~(2+)极化率大,随着Pb掺杂量的增大,上述各种因素共同作用导致了材料的结构、介电性能和铁电性能随着Pb掺杂量发生了很有规律的变化。
李亚东[4]2016年在《BNNTs/Si_3N_4陶瓷涡轮制备及热力耦合分析研究》文中研究指明本文以氮化硼纳米管(BNNTs)为添加相制备BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样及涡轮转子,对其力学性能及热力耦合性能进行分析研究。(1)以陶瓷材料的抗热震理论为基础,建立了BNNTs/Si3N4复合陶瓷的抗热震理论模型,得到了其力学性能及抗热震性能随气孔率及温度的变化关系。气孔率越大、温度越高,复合陶瓷的弹性模量、抗弯强度及抗热震性能均逐渐降低;(2)以模板法为基础,以Na BH4为硼源,以NH4Cl为氮源,利用单壁碳纳米管(CNTs)为模板在自制的不锈钢高压反应釜中制备合成了BNNTs。对其表征分析表明,BNNTs具有较高的纯度及良好的结晶性能,纳米管的直径约25 nm,长度约0.5-2um,表面光滑,有明显的中空管状结构,长度较长,壁厚较薄且分布均匀,包覆效果良好。对其制备机理的分析表明,BNNTs良好的继承了CNTs的管状结构。该方法工艺过程简单、合成温度低,是一种高效的、高产率的BNNTs的制备方法,能够满足材料制备的需要。(3)利用真空热压烧结法制备了BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样及涡轮转子。对其力学性能的测试分析表明,BNNTs/Si3N4复合陶瓷具有较高的相对密度及抗弯强度,BNNTs的添加能细化基体晶粒,使其断裂方式由纯Si3N4陶瓷的沿晶断裂与穿晶断裂共存转变为以穿晶断裂为主,从而显着提高了Si3N4陶瓷的力学性能。当BNNTs的添加量少于2wt.%时,1.5%BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样具有最优的综合力学性能,其断裂韧性较纯Si3N4陶瓷提高了46%之多。(4)对BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样及涡轮转子进行了抗热震性能测试。分析表明,纯Si3N4陶瓷的临界热震温差为600℃,而BNNTs的添加能显着提高Si3N4陶瓷的抗热震性能,当BNNTs的添加量为1.5%时,BNNTs/Si3N4复合陶瓷试样临界热震温差达到700℃。(5)通过对BNNTs/Si3N4复合陶瓷力学及抗热震性能的分析,研究了BNNTs的增韧机理。研究结果表明,在材料内部裂纹的扩展过程中,BNNTs对裂纹产生的桥联、偏转、分叉与钉扎等协同机制为其增韧方式,从而增加了裂纹扩展的阻力,提高了断裂能,最终提高了复合陶瓷的性能。(6)对BNNTs/Si3N4复合陶瓷涡轮转子进行了热力耦合仿真分析,根据仿真结果,对涡轮在不同环境温度下产生的最大应力与最大应变随转速的变化关系拟合了经验公式,并对涡轮在不同转速下产生的最大应力与最大应变随环境温度的变化关系拟合了经验公式。分析结果显示,无论是纯力场还是热力耦合场,涡轮上最大应力的发生区均为叶片的根部,而最大应变则产生于叶片的边缘处。涡轮的温度分别为500℃、600℃、700℃及800℃时,导致其失效的临界转速分别为130000r/min、115000r/min、100000r/min及90000r/min。而保证其性能的临界综合条件为100000 r/min的涡轮转速与700℃的温度。对于普通轿车及小负荷货车,BNNTs/Si3N4复合陶瓷涡轮转子完全可以满足使用的要求。
参考文献：
[1]. 压痕实验的计算模拟及小晶界的疲劳响应[D]. 万建松. 西北工业大学. 2001
[2]. Ti-6Al-4V合金纳米压痕变形与高周疲劳行为CPFEM研究[D]. 韩逢博. 西北工业大学. 2016
[3]. 层状Sr-Bi-Ti-O铁电材料的制备及其性能研究[D]. 方旺胜. 浙江大学. 2006
[4]. BNNTs/Si_3N_4陶瓷涡轮制备及热力耦合分析研究[D]. 李亚东. 济南大学. 2016
标签：力学论文; 物理学论文; 工业通用技术及设备论文; 应力强度因子论文; 疲劳断裂论文; 纳米陶瓷论文; 应力集中论文; 剪切应变论文; 应力状态论文; 应变速率论文; 运动性疲劳论文; 薄膜应力论文; 科学论文; 科普论文;