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夹杂物干涉机制及其对材料细观损伤的影响研究

郭荣鑫  
【摘要】: 材料的细观损伤影响着材料的局部性能,同时对材料的宏观有效性能也有着直接的影响。细观损伤的衍生机理、演化规律和它们对材料性能的影响是当前及今后相当长时期内材料细观损伤的研究主题和材料细观模型必须反映的物理内涵。工程实践及科学研究表明材料的损伤和失效与央杂物的存在密切相关。夹杂物引起的非均匀性往往会使得材料的局部损伤演化更加复杂。其中,材料各类微结构(包括空洞、微裂纹、夹杂、界面失效等)间以及微结构和宏观缺陷之间存在的相互干涉机制,是研究材料的细观损伤及其演化规律,确定材料局部性能时必须要考虑的重要方面,也是当前材料学和力学等领域的前沿课题。本文针对现有研究工作的不足,基于J.D.Eshelby的等效夹杂物方法,以多夹杂物间的干涉机制及其对材料细观损伤的衍生和演化的影响为研究重点,采用数值计算、数字全息实验和复合材料损伤演化细观观测等手段开展研究并取得以下成果: 1、编写了在考虑及杂物相互干涉情况下计算多个不同类型夹杂物应力、应变场的数值计算程序(Multi.inc),实现等效夹杂物方法的数值化处理和计算结果的三维显示。本文参考Zissis A.Moschovidis方法,将本征应变、外加载荷和由它们引起的应变场都用坐标的多项式表示,运用叠加原理,建立了计算两个以上夹杂物的等效方程。通过泰勒级数将等效方程转换为代数方程组,然后将描述位移场的位势函数及其导数用可以直接进行计算的显性椭圆积分(Ⅰ-积分)表示,从而实现对等效夹杂物方法的数值化计算。考虑到程序的可移植性和完整性,对所有公式均编写了相应的过程和函数,整个程序包括一个主程序和由168个过程和函数组成的12个子程序。通过与文献中的精确解和数值计算结果的详细比较,与数字全息实验测量的孔洞和裂纹应变场的比较,以及与球形颗粒增强复合材料细观损伤观测结果的比较,验证说明了本文编制的多夹杂物数值计算程序的合理性和有效性,为多夹杂物及相关问题的直观分析提供了一种新的手段,同时也为其它理论和方法的评价提供了一种验证、评价的依据。从我们目前查到的文献看,能在考虑多个不同夹杂物相互干涉情况下计算材料应力、应变场的等效夹杂物数值计算程序还很少。 2、应用本文编写的多夹杂物数值计算程序细致研究了夹杂物间的干涉机制及其对材料细观损伤演化的影响。利用计算获得的从单个到多个,不同方位、不同构型的孔洞、裂纹类夹杂物和球体、椭球体等硬质类夹杂物的应力场及其变化情况,分析了不同夹杂物的干涉机制。此外,还从应力的角度模拟分析了复合材料中的颗粒团聚、颗粒开裂、颗粒的脱粘及其及扩大、微裂纹在基体中的扩展等细观损伤的衍生和演化机理。 3.顺应光测实验手段数字化的发展趋势,开发了一套新的数字实时全息干涉测量系统。在数字实时全息干涉系统中,为克服数字全息测量面积过小,无法满足测量多夹杂物干涉应变场的要求,本文提出了一种等效4f系统,推导了等效4f系统的横向放大率计算公式和数字全息光路中CCD窗口位置的计算公式,这样就可以根据被测试件的大小合理调整光路布置,实现了对约100平方厘米的大面积对象的数字全息检测,满足实验的要求。另外,为提高数字全息干涉图的质量,本文基于两次曝光全息原理从理论上导出消除零级衍射干扰并保留物光场高频信息的实时数字全息检测方法以及相应的测量数据处理方法,编制了相应的数字图像处理程序,获得的了理想的数字全息干涉图。通过与传统全息测量结果的比较,证明了数字全息测量系统的可靠性。随后应用数字全息测量系统对有代表性构型的圆孔、椭圆孔及裂纹的多夹杂物应变场进行了数字实时全息测量,从实验上研究了夹杂物间的干涉机制,同时也进一步证明了本文编写的数值计算程序的可靠性。更有意义的是传统全息只能获得待测状态和初始状态间物理量变化情况,而本文的数字全息系统能获得任意两个测量状态间的物理量变化情况,因此,获得的消息更加丰富,对待测物理量的分析也就可以更加深入、细致,有助于获得物理量变化过程中的特殊信息。此外,我们在实验中发现的干涉条纹衍生和传播的规律,为今后我们进行条纹级数的判读,尤其是构件中危险位置的确定提供了新的方法和指导。 4、结合数值计算和细观实验观测研究了颗粒增强复合材料主要细观损伤形式的衍生机理及其演化规律。本文制备了二氧化锆球形颗粒增强的2124铝基复合材料,完成了多个试样在不同应力水平下的拉伸疲劳、压缩疲劳及静载拉伸实验,并通过大量的细观观测照片研究了不同应力水平下,试件经历不同的疲劳循环后发生的细观损伤及其演化情况,结合数值计算和数字全息实验结果,发现颗粒增强复合材料中的主要细观损伤演化过程仍然是一个微裂纹的衍生和扩展的过程,其次是颗粒的脱粘和颗粒的开裂;如不考虑材料的制备缺陷而只是从应力的角度看,则颗粒的团聚区不是材料损伤的危险区。材料的细观损伤的衍生和演化现象与我们利用数值计算获得的应力场分布和应力场的变化较为吻合。


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