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冰的韧脆转变行为研究

任晓辉  
【摘要】:现场监测结果表明,海上石油平台在海冰的作用下会发生自激振动现象,并能造成 很大的危害。分析表明,冰致平台自激振动发生在冰的韧脆转变的冰速范围内。为了明 确自激振动的产生机理,建立力学模型,必须研究韧脆转变机制。本文从冰的基本力学 行为研究入手,通过宏观、细观及微观三方面对冰的韧脆转变过程进行研究。 论文的第二部分对微裂纹的形核机理及扩展机理进行了详细的阐述。韧脆转变实际 上是裂纹活动的直接后果,因此,要想对韧脆转变进行研究,就一定要对裂纹的活动有 比较深入的了解,包括微裂纹的形核及扩展等。本文的这一部分详细回顾了前人在裂纹 观测方面所取得的研究成果,同时对微裂纹的形核及扩展机理进行了全面的研究及总结, 并给出裂纹形核和扩展条件。裂纹形核主要是通过位错堆积、晶界角源及弹性各向异性 三种机理产生的。裂纹的扩展主要是通过摩擦型裂纹扩展,即翼型裂纹扩展。 论文第三部分分别从微观、细观和宏观三个方面阐述了韧脆转变机理及判据。韧脆 转变的微观模型主要是由Rice和Thomson提出的位错发射与解理断裂竞争机制。这一 模型对韧脆转变进行了定性的研究,但没有办法给出定量的结果。韧脆转变的细观机理 是依据裂纹尖端的塑性区大小来进行判断,这一方法可以给出韧脆转变的定量性结论。 韧脆转变的宏观模型综合考虑了宏观及微观机理,并且用能量把他们有机的结合到了一 起,直接给出总应变率。本章最后部分研究了温度、晶粒尺寸、预裂纹、加载方式及裂 纹愈合等因素对韧脆转变的影响。 文章的第四部分阐述了淡水冰单轴压缩实验的设计及研究。实验采用柱状冰,温度 控制在-10℃,晶粒尺寸的平均值大约为5mm,冰试件尺寸为20×10×5cm,加载速率控 制在10-3-10-5/S内。通过常应变速率的单轴压缩实验,观测了淡水冰韧脆转变过程的宏 观破坏现象、裂纹的开裂及扩展,并给出合理解释,同时获得冰韧脆转变点时的应变速 率,并与理论计算值进行了比较。


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