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基于关联位错机制的纳米孪晶金属非对称循环塑性模型研究

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中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第5期54卷 216-223页

作者：陈无凡周昊飞同济大学航空航天与力学学院上海200092 浙江大学交叉力学中心杭州310027 浙江大学工程力学系杭州310027

纳米孪晶金属在强度、韧性和抗疲劳性能等方面存在优势,具有显著的工程应用价值.纳米孪晶金属的塑性变形机制与传统立方晶系多晶金属材料截然不同,经典力学理论难以精准描述其力学行为,迫切需要针对性地建立力学本构理论.本文基于择优... 详细信息

纳米孪晶金属在强度、韧性和抗疲劳性能等方面存在优势,具有显著的工程应用价值.纳米孪晶金属的塑性变形机制与传统立方晶系多晶金属材料截然不同,经典力学理论难以精准描述其力学行为,迫切需要针对性地建立力学本构理论.本文基于择优取向纳米孪晶金属塑性变形特有的关联位错机制,结合离散单元模型和位错塞积长程作用效应,提出可描述纳米孪晶金属非对称循环塑性行为的本构模型,并捕捉与历史无关循环塑性行为和Masing现象,描述预加载下长程背应力导致的随动强化现象.进一步根据热力学理论,考虑关联位错与位错长程作用机制,推导了可用于预测疲劳寿命的耗散能量率计算式.本文结果对择优取向纳米孪晶金属的工程应用具有理论参考意义.

关键词：纳米孪晶关联位错位错塞积耗散能疲劳寿命

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超细晶粒钢中晶粒尺寸对塑性的影响模型

金属学报 2015年第7期51卷 777-783页

作者：刘觐朱国辉北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 安徽工业大学冶金工程学院马鞍山243000

以作者前期提出的位错塞积模型为基础,结合断裂强度与晶粒尺寸的关系,建立了晶粒细化导致超细晶粒钢总伸长率降低的临界晶粒尺寸的计算模型.以晶粒尺寸从10 mm减小到0.2 mm为例,计算结果表明,钢的总塑性伸长率随着晶粒尺寸的减小首先呈... 详细信息

以作者前期提出的位错塞积模型为基础,结合断裂强度与晶粒尺寸的关系,建立了晶粒细化导致超细晶粒钢总伸长率降低的临界晶粒尺寸的计算模型.以晶粒尺寸从10 mm减小到0.2 mm为例,计算结果表明,钢的总塑性伸长率随着晶粒尺寸的减小首先呈现增加的趋势,但是当晶粒尺寸减小到大约2.5 mm后,随着晶粒尺寸的减小,钢的总伸长率不仅不再增加,反而出现了显著的降低,这一结果较好地吻合了近期超细晶粒材料研究的实验现象.本工作的研究说明,导致超细晶粒钢伸长率降低的主要机制在于当晶粒细化到一定程度后,晶界对位错源开动的阻力增大,由此导致的可动位错数目显著降低使得应变量显著减少.

关键词：塑性超细晶粒晶粒尺寸位错塞积位错源

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纳观界面应力集中对复合晶粒断裂应力的影响

哈尔滨工业大学学报 2019年第5期51卷 118-124页

作者：杜志鸿倪新华刘协权于金凤吴永胜陆军工程大学石家庄校区车辆与电气工程系石家庄050003 陆军步兵学院基础部南昌330000 陆军工程大学军械士官学校基础部武汉430075

为了准确分析纤维增强复合陶瓷内复合晶粒力学性能,提出了一种考虑纳观界面应力集中效应的复合晶粒强度预测方法.基于纤维增强复合陶瓷的显微结构特征,考虑纳米纤维间的相互作用,应用有效自洽法确定纳观界面模型的有效应力场;假设纳观... 详细信息

为了准确分析纤维增强复合陶瓷内复合晶粒力学性能,提出了一种考虑纳观界面应力集中效应的复合晶粒强度预测方法.基于纤维增强复合陶瓷的显微结构特征,考虑纳米纤维间的相互作用,应用有效自洽法确定纳观界面模型的有效应力场;假设纳观界面处基体和纤维间的应力和位移均连续,利用叠加法将单向拉伸应力状态分解为双向均匀拉伸状态和纯剪切应力状态的组合,根据纤维增强复合陶瓷承受横向载荷的位移函数得到纳观界面附近基体和纤维的位移场和应力场,并计算了纳观界面产生的应力集中因子,综合考虑了复合晶粒内纳观界面和位错塞积相互作用导致的应力集中效应,建立了纤维增强复合陶瓷中复合晶粒的断裂应力预报模型.分析了增强纤维半径和体积分数对复合晶粒断裂应力的影响,结果表明:增强纤维半径越小,断裂应力越大,复合晶粒强度越高,且增强纤维半径大于50 nm后,半径大小对复合晶粒断裂应力影响较小;纤维体积分数越大,断裂应力越小,复合晶粒越易发生破坏.

关键词：断裂应力复合晶粒纳观界面位移函数应力集中因子位错塞积

镍基变形高温合金CDS＆W FGH96热变形行为研究

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稀有金属 2015年第3期39卷 201-206页

作者：李福林付锐冯涤尹法杰田志凌钢铁研究总院高温材料研究所北京100081

随着新一代低油耗和高推重比航空发动机的发展,对新型涡轮盘合金提出了更高的要求。FGH4096是典型第二代高强和高损伤容限型涡轮盘合金,长期使用温度为700~750℃,采用粉末冶金（P/M）工艺制备。本文采用电渣重熔连续定向凝固（ESR-CDS... 详细信息

随着新一代低油耗和高推重比航空发动机的发展,对新型涡轮盘合金提出了更高的要求。FGH4096是典型第二代高强和高损伤容限型涡轮盘合金,长期使用温度为700~750℃,采用粉末冶金（P/M）工艺制备。本文采用电渣重熔连续定向凝固（ESR-CDS）技术和多向锻造技术制备了低偏析的FGH96合金（命名为CDS＆W FGH96）锻坯,通过等温热压缩实验研究了锻态合金在温度范围为1060~1140℃,应变速率范围为0.001~0.100 s-1的热变形特点。结果表明,随着温度的增加,再结晶（DRX）分数先减小后增加;弥散细小的γ＇相颗粒阻碍动态再结晶形核,而尺寸较大的相颗粒在一定程度上可大大降低对动态再结晶的这种阻碍作用;动态再结晶晶粒尺寸随着变形温度的降低而降低。通过流变行为计算得到热变形激活能为1289 k J·mol-1,并提出了合金CDS＆W FGH96高温变形本构方程。借助于场发射扫描电镜（FESEM）和透射电镜（TEM）阐述了动态再结晶机制为应变诱导原始晶界形核和第二相位错塞积形核。

关键词： CDS&W FGH96合金热变形动态再结晶位错塞积

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考虑应力梯度效应的金属微梁屈服模型研究

力学学报 2024年第4期56卷 1025-1036页

作者：张旭秦聪屈腾飞马竞郑州大学力学与安全工程学院郑州450001 珠海格力电器股份有限公司广东珠海519070

一系列微加载测试结果表明,金属微梁的弯曲强度会随着材料外部几何特征尺寸的减小而显著升高,呈现出明显的尺寸相关性.基于位错塞积模型,探讨了纯金属单晶微梁的初始屈服应力,并提出了描述其尺寸相关性行为的关键内禀特征长度.通过综合... 详细信息

一系列微加载测试结果表明,金属微梁的弯曲强度会随着材料外部几何特征尺寸的减小而显著升高,呈现出明显的尺寸相关性.基于位错塞积模型,探讨了纯金属单晶微梁的初始屈服应力,并提出了描述其尺寸相关性行为的关键内禀特征长度.通过综合分析现有的微梁弯曲实验及其离散位错动力学数值模拟结果,并考虑到位错-自由表面交互作用的影响,提出了一种仅涉及位错源的位错塞积构型.在此构型下,对线性应力梯度作用下的位错塞积行为进行了连续性分析,并建立了一个由位错源主导的应力梯度屈服模型.该模型有效地解释了微梁初始屈服应力的尺寸相关性,并与实验结果一致.研究结果表明,针对外部几何特征尺寸在数微米及以下的纯金属单晶微梁,位错塞积行为是其尺寸相关性行为的主导机制,而且刻画这种行为需要两个内禀特征长度参数,即位错源长度和位错塞积长度.为解释非均匀加载条件下微尺度晶体材料屈服应力的尺寸相关性行为,特别是纯金属单晶微梁,提供了新的视角.

关键词：位错塞积应力梯度屈服应力尺度效应

Cu-Cr-Zr合金高温疲劳性能及组织演变特征

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稀有金属 2022年第11期46卷 1407-1413页

作者：王庆娟王磊杜忠泽王伟张筱雯西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

研究了不同温度下铜铬锆(Cu-Cr-Zr)合金的高周疲劳行为,利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了析出相与位错之间的交互作用和断口附近的组织特征。结果表明Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度随温度的升高而降低,在室温(RT)、300和400℃下分别为3... 详细信息

研究了不同温度下铜铬锆(Cu-Cr-Zr)合金的高周疲劳行为,利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了析出相与位错之间的交互作用和断口附近的组织特征。结果表明Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度随温度的升高而降低,在室温(RT)、300和400℃下分别为363.3,309.7和263.4 MPa。在1×106循环周次下,固溶时效Cu-Cr-Zr合金的疲劳强度极限随温度的升高而降低,室温疲劳极限为318 MPa;300℃时为240MPa,相较于室温降低了24.5%;400℃下的疲劳强度极限降低到220 MPa,相比于室温降低了27.5%。疲劳断口组织特征表明,裂纹主要在材料的表面萌生并向内扩展。随试验温度的升高,疲劳断裂的典型3个区域中,裂纹扩展区减小,瞬断区所占比例增加。随温度升高,Cu-CrZr合金开始发生动态再结晶,造成位错的重新分布和湮灭,位错迁移率增快,纳米析出相长大,对位错的“钉扎”阻碍作用减弱,位错密度下降,致疲劳强度降低,位错嵌入析出相之间的界面,易于形成微孔洞和裂纹,孔洞连接裂纹扩展,并最终断裂。

关键词：铜铬锆(Cu-Cr-Zr)合金高周疲劳循环软化析出相位错塞积

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冲击载荷对无烟煤微观孔隙的作用机理

天然气工业 2021年第9期41卷 87-97页

作者：王以贤梁为民河南建筑职业技术学院河南省郑州市450064 河南理工大学土木工程学院河南省焦作市454003

为了研究冲击载荷对无烟煤微观孔隙的作用机理、提高煤层气的开发效果,以山西沁水煤田成庄矿无烟煤为研究对象,利用霍普金森冲击系统分别对垂直、平行、45°斜交层理方向煤样实施冲击载荷模拟实验,根据冲击载荷前后压汞、低温液氮和电... 详细信息

为了研究冲击载荷对无烟煤微观孔隙的作用机理、提高煤层气的开发效果,以山西沁水煤田成庄矿无烟煤为研究对象,利用霍普金森冲击系统分别对垂直、平行、45°斜交层理方向煤样实施冲击载荷模拟实验,根据冲击载荷前后压汞、低温液氮和电镜扫描测试数据,分析了冲击载荷对无烟煤微观孔隙的作用规律与特点,进一步探究了冲击载荷对无烟煤微观孔隙的作用机理。研究结果表明:①冲击载荷能增大孔径和孔容,改善孔隙结构,提高孔隙连通性,增强瓦斯扩散、渗流与运移速度,并存在冲击载荷的最佳改善效果,不同方向最佳改善效果所对应的冲击载荷大小不同;②最佳改善效果以前的冲击载荷改善孔隙结构及渗透特征,最佳改善效果以后的冲击载荷增加微孔、堵塞中大孔、整体劣化孔隙孔渗特征;③冲击载荷对煤样的破坏模式可以分为两种——一种是始于微晶结构、基于位错塞积效应的破坏模式,另一种是始于宏观孔隙、基于煤基质破碎的破坏模式。结论认为,该研究成果对于进一步认识煤层气产气机理、产气特征及其控制因素具有重要的理论意义,对经济有效地开采煤层气具有现实意义及推广价值。

关键词：冲击载荷无烟煤微观孔隙作用机理位错塞积沁水煤田

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共晶基陶瓷复合材料的强度模型

固体力学学报 2009年第2期30卷 116-121页

作者：倪新华郑坚刘协权韩保红军械工程学院石家庄050003

根据细观结构内界面的强约束特性,通过纤维-基体内界面切应力确定了共晶陶瓷棒体的细观应力场.然后分析了两相界面处位错塞积产生的应力集中,获得基体内的最大应力,当最大拉应力等于基体理论断裂强度时,得到共晶棒体的断裂强度的解析表... 详细信息

根据细观结构内界面的强约束特性,通过纤维-基体内界面切应力确定了共晶陶瓷棒体的细观应力场.然后分析了两相界面处位错塞积产生的应力集中,获得基体内的最大应力,当最大拉应力等于基体理论断裂强度时,得到共晶棒体的断裂强度的解析表达式.考虑共晶陶瓷棒体长度和方位的随机性,根据概率理论得到共晶陶瓷基复合材料的宏观强度的理论模型.结果表明复合材料的宏观强度与亚微米纤维的直径和长度、以及亚微米纤维、基体、共晶陶瓷棒体的弹性常数有关.理论与实验结果十分接近,说明文中理论模型是合理的,同时证明了共晶界面对陶瓷复合材料的重要影响.

关键词：共晶陶瓷棒体亚微米纤维强约束界面位错塞积断裂强度

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超高强热成形钢的应变速率敏感性

工程科学学报 2018年第9期40卷 1083-1090页

作者：梁江涛赵征志尹鸿祥路洪洲陈伟健唐荻北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心北京100083 中国铁道科学研究院金属及化学研究所北京100081 中信金属有限公司北京100004

利用CMT5105电子万能试验机和HTM 16020电液伺服高速试验机对超高强热成形钢进行拉伸试验,应变速率范围为10-3-103s（-1）,模拟热成形零件在不同应变速率下的碰撞情况.结果表明：在低应变速率阶段（10-3-10（-1）s（-1））实验钢的应变... 详细信息

利用CMT5105电子万能试验机和HTM 16020电液伺服高速试验机对超高强热成形钢进行拉伸试验,应变速率范围为10-3-103s（-1）,模拟热成形零件在不同应变速率下的碰撞情况.结果表明：在低应变速率阶段（10-3-10（-1）s（-1））实验钢的应变速率敏感性不高,随应变速率的升高,实验钢的强度和延伸率变化不大;在高应变速率阶段（100-103s（-1））实验钢具有高的应变速率敏感性,随应变速率的升高,实验钢的强度和延伸率都呈增大的趋势,并且抗拉强度的应变速率敏感性要大于屈服强度.这主要是由于在高应变速率阶段拉伸时产生的绝热温升现象和应变硬化现象共同作用造成的.实验钢颈缩后的延伸率随应变速率的增大而减小,主要是由于高应变速率下马氏体局部变形不均匀造成的.实验钢吸收冲击功的能力随应变速率的升高而增大,实验钢达到均匀延伸率时吸收冲击功的大小对应变速率更敏感.与低应变速率阶段相比,实验钢在高应变速率阶段的断口韧窝的平均直径更小,韧窝的深度更深,这与高应变速率阶段部分马氏体晶粒的碎化有关.通过扫描电镜和透射电镜观察发现,在高应变速率拉伸时晶粒有明显的拉长趋势,并且在应力集中的地方有一些微空洞的存在,应变速率为103s（-1）时部分区域有碎化的现象.

关键词：超高强热成形钢高应变速率拉伸应变强化位错塞积绝热温升