力學(xué)性能表征的案例
多鐵材料納米力學(xué)性能表征重要進(jìn)展！
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院納米調(diào)控與生物力學(xué)研究室在多鐵材料納米力學(xué)性能表征領(lǐng)域
取得重要進(jìn)展，提出了一種能夠同時(shí)表征多鐵納米材料納米尺度壓電性能和力學(xué)性能的技術(shù)。相關(guān)成果發(fā)表在固體力學(xué)頂級(jí)期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（
一區(qū)，影響因子3.566）上。論文第一作者是深圳先進(jìn)院客座博士研究生朱慶豐。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509618310160?via%3Dihub
多鐵材料是一種同時(shí)具有鐵彈、鐵電、鐵磁兩種或兩種以上序參數(shù)耦合的多功能材料。多鐵磁電材料能展現(xiàn)出獨(dú)特的磁電耦合效應(yīng)，其在傳感器、多態(tài)存儲(chǔ)、自旋電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。多鐵納米材料由于能夠促進(jìn)電子器件的多功能化、集成化及微型化，近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注和研究。
多鐵納米材料器件應(yīng)用時(shí)，其納米尺度力學(xué)和壓電性能起著至關(guān)重要的作用，一方面是由于磁電耦合效應(yīng)源于復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力的傳遞，另一方面這一應(yīng)力也可能會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞甚至損壞，直接關(guān)聯(lián)著器件的性能。因此，用納米尺度同時(shí)表征多鐵復(fù)合材料力學(xué)和壓電性，既是理解多鐵復(fù)合材料磁電耦合行為的關(guān)鍵，又是優(yōu)化增強(qiáng)復(fù)合材料磁電耦合性能的基礎(chǔ)，然而當(dāng)前缺乏相應(yīng)的表征技術(shù)。
展開(kāi) 利用Digimat-FE對(duì)三維五向編織復(fù)合材料進(jìn)行性能表征
三維編織復(fù)合材料作為一種新型的復(fù)合材料, 由于它具有整體異形性和三維預(yù)制體制造等優(yōu)點(diǎn)和靈活的性能可設(shè)計(jì)性, 在國(guó)內(nèi)外航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近 20 年, 國(guó)內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)都對(duì)對(duì)三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能開(kāi)展了系列研究。
三維四向編織復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料的分層開(kāi)裂敏感、抗沖擊損傷性能差等缺點(diǎn), 厚度方向強(qiáng)度得到了很大提高, 但同時(shí)面內(nèi)性能有所下降。為了提高三維編織復(fù)合材料的縱向性能, 發(fā)展了三維五向編織復(fù)合材料。
三維五向編織結(jié)構(gòu)是在基本的三維四向編織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上, 在編織過(guò)程中引入沿編織成型方向不動(dòng)的紗線而形成的一種新的整體編織結(jié)構(gòu)。在三維四向編織結(jié)構(gòu)中, 所有的編織紗線均與編織成型方向有一個(gè)夾角,共有四種空間傾斜方向, 部分紗線通過(guò)了材料的厚度方向, 有效提高了材料厚度方向的性能, 但是, 同時(shí)使材料的面內(nèi)性能有所下降。而在三維五向編織結(jié)構(gòu)中, 除了有四組傾斜分布的編織紗線以外, 還有一組沿材料縱向 (編織成型方向或第五向) 分布的紗線?？v向紗線幾乎處于伸直狀態(tài), 可以改善材料縱向性能。
三維四向編織、三維五向編織示意圖
三維編織材料的性能表及測(cè)試方法都未形成成熟的標(biāo)準(zhǔn), 需要進(jìn)一步進(jìn)行研究探討。下面將通過(guò)Digimat-FE對(duì)三維五向編織進(jìn)行建模，通過(guò)Digimat-FE計(jì)算三維五向編織材料的工程常數(shù)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)仿真對(duì)三維五向編織材料性能的預(yù)測(cè)。
首先，在Digimat-FE中定義材料屬性。分別包括基材與纖維特性
接下來(lái)定義每相特性與RVE特性，
最終就可以生成三維五向編織的RVE模型如下圖所示
然后對(duì)模型進(jìn)行像素網(wǎng)格劃分
選擇計(jì)算工程常數(shù)
最終可計(jì)算出工程常數(shù)
從上述過(guò)程可以看到，通過(guò)Digimat-FE我們可以很方便的對(duì)三維編織材料的力學(xué)性能進(jìn)行表征。
展開(kāi) 材料表征及性能測(cè)試過(guò)程中所用儀器設(shè)備
性能表征
材料的防腐蝕性能
1、電化學(xué)阻抗譜
效果：得到材料的電容、電阻、電感等信息，獲得材料的防腐蝕機(jī)理
需要注意的問(wèn)題：保證基材的面積固定
2、極化曲線
效果：獲得材料腐蝕時(shí)的腐蝕電流密度、極化電阻、腐蝕電位、腐蝕速率等信息
需要注意的問(wèn)題：保證基材的面積固定
3、鹽霧試驗(yàn)
效果：加速試驗(yàn)，獲得材料耐腐蝕的耐久性
需要注意的問(wèn)題：注意鹽水濃度的變化
表征材料導(dǎo)電性
儀器：四探針
效果：測(cè)試膜或者塊體的導(dǎo)電性
表征材料親水（其他溶劑）性
儀器：接觸角測(cè)量?jī)x
效果：測(cè)試材料表面張力，接觸角等
表征膠體體系穩(wěn)定性
儀器：zeta電位儀
材料表征：涂層（薄膜）耐磨性
表征方式：銷盤摩擦磨損儀
效果：測(cè)試一定載荷和時(shí)間下摩擦系數(shù)變化并結(jié)合表面形貌分析磨損機(jī)理。
材料表征：涂層（薄膜）結(jié)合力
表征方式：劃痕儀
效果：測(cè)試薄膜與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，需要結(jié)合劃痕形貌、聲發(fā)射圖譜和摩擦系數(shù)變化綜合評(píng)定。
展開(kāi) 納米力學(xué)表征3D打印鈦及鈦鋁合金的應(yīng)用
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金屬材料激光增材制造(俗稱金屬3D打印)技術(shù)，是一種采用高功率激光對(duì)金屬粉末/絲材進(jìn)行逐層熔化/ 凝固堆積,進(jìn)而形成高致密性和高性能的整體金屬構(gòu)件的近凈成形制造技術(shù)。其后續(xù)機(jī)械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低，同時(shí)大功率激光可制備難熔金屬構(gòu)件，且可以根據(jù)零件的工作條件和服役性能要求,改變局部激光熔化沉積材料的化學(xué)成分和顯微組織,實(shí)現(xiàn)多相合金、梯度材料的近凈成形。多相合金材料及梯度材料的綜合力學(xué)性能往往取決于其單相或單組分的力學(xué)性能。然而，通常增材制造材料的組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且晶粒尺寸極小，傳統(tǒng)辦法很難精細(xì)表征每一相的力學(xué)性能。因此，準(zhǔn)確表征增材制造材料微觀尺度下相或組元的力學(xué)性能，對(duì)于理解并調(diào)控結(jié)構(gòu)件整體的力學(xué)性能具有重要意義。
南極熊3D打印網(wǎng)獲悉，近期，加拿大多倫多大學(xué)材料系鄒宇教授課題組（https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/）與北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室合作采用高速納米壓痕技術(shù)（1個(gè)壓痕/約1秒）對(duì)3D打印雙相鈦合金（TA15, Ti-6Al-2Zr-Mo-V）和γ-TiAl/Ti2AlNb梯度材料進(jìn)行了高通量力學(xué)表征 （硬度H和彈性模量E）[1] [2]。圖1是3D打印示意圖和納米壓痕實(shí)驗(yàn)圖。
展開(kāi) 
金屬粉末材料性能表征：激光粒度儀不同設(shè)備偏差分析
作者：江蘇威拉里——魏放
金屬粉末粒度檢測(cè)通常使用激光粒度儀，其原理是采用米氏散射原理，通過(guò)顆粒的衍射或散射光的空間分布來(lái)分析顆粒大小。由于粒度儀品牌眾多，其檢測(cè)結(jié)果也有差異。本文將選取目前主流激光粒度儀丹東百特9300st和馬爾文3000進(jìn)行對(duì)比，所選取的粉末種類有模具鋼18Ni300、CX，高溫合金GH4169、GH3536、GH3625和Al基粉末AlSi10Mg，主要測(cè)試兩種激光粒度儀對(duì)打印段粉末15-53um檢測(cè)結(jié)果的差異。
表1 設(shè)備基本參數(shù)表
粉末基體
馬爾文3000
丹東百特9000ST
顆粒折射率
顆粒吸收率
顆粒折射率
顆粒吸收率
Ni基
1.96
0.1
1.98
1
Fe基
2.9
0.1
2.86
1
Al基
2.5
3.0
2.5
3
馬爾文3000激光粒度儀和丹東百特9000ST激光粒度儀基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。兩臺(tái)設(shè)備的顆粒折射率設(shè)置差別不大，鎳基和鐵基顆粒吸收率不同，但由于這兩種基體粉末的顏色為深灰色，所以顆粒吸收率設(shè)置在0.1-1之間均在允許范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生太大的影響。
圖1 馬爾文和百特粒度儀對(duì)不同基體粉末檢測(cè)結(jié)果
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩種設(shè)備對(duì)Fe基、Ni基和Al基三種粉末中的D(10)和D(50)檢測(cè)結(jié)果偏差相差不大，但是D（90）偏差值因基體而定。Fe
展開(kāi) PPT | SiC功率器件的性能表征、封裝測(cè)試與系統(tǒng)集成
PPT | SiC功率器件的性能表征、封裝測(cè)試與系統(tǒng)集成
定量核磁表征聚乙烯長(zhǎng)鏈支化結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)高性能吹膜樹(shù)脂中的應(yīng)用
良好的加工性能只能在靠近凝膠點(diǎn)的狹窄操作區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中是不可行的——商業(yè)級(jí)裝置中的波動(dòng)會(huì)使生產(chǎn)運(yùn)行充滿風(fēng)險(xiǎn)。
本文研究了一種采用雙金屬中心催化劑與α,ω-二烯單體在溶液相中合成具有“梯形”支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型聚乙烯，為兼具LDPE型加工性能與LLDPE型力學(xué)性能的材料設(shè)計(jì)提供了新路徑。
01
試驗(yàn)方案
使用亞氨基烯酰胺催化劑與不同用量癸二烯制備的聚合物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（方案1至5），以及常規(guī)癸二烯聚合（方案6）和LDPE（方案7）的對(duì)比樣本。
表1 試驗(yàn)方案
方案1至5實(shí)驗(yàn)條件：2升半間歇反應(yīng)器，T=150°C，異鏈烷烴E型溶劑=600 g，Al(i-Bu)?=240 psi，乙烯=15 g（190 psi），催化劑：亞氨基烯酰胺=0.4 μmol，助催化劑：四(五氟苯基)硼酸甲基二(十四烷基)銨=0.48 μmol，MMAO-3A=10 μmol，運(yùn)行時(shí)間=10分鐘。催化效率以每克金屬生成聚合物千克數(shù)（kgPol/g金屬）計(jì)。
方案6采用受限幾何催化劑（CGC，單鏈催化劑）進(jìn)行的癸二烯聚合。
方案7高度支化的商業(yè)高壓釜法LDPE（熔融指數(shù)I2=0.5dg/min，測(cè)試條件190°C）
02
定量核磁分析
通過(guò)定量1H和13C核磁共振（NMR）波譜技術(shù)，獲得了二烯偶聯(lián)過(guò)程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)信息。圖5展示了癸二烯含量最高的聚合物（表1，條目5）的13C NMR譜中兩大特征：首先，以聚合物主鏈（-CH?-）特征峰（30.0 ppm）為參照，在38.17、34.50和27.21 ppm處觀察到一組特征峰（峰1、2、3），其相對(duì)積分比為1:1:1。
展開(kāi) 定量核磁表征聚乙烯長(zhǎng)鏈支化結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)高性能吹膜樹(shù)脂中的應(yīng)用
良好的加工性能只能在靠近凝膠點(diǎn)的狹窄操作區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中是不可行的——商業(yè)級(jí)裝置中的波動(dòng)會(huì)使生產(chǎn)運(yùn)行充滿風(fēng)險(xiǎn)。
本文研究了一種采用雙金屬中心催化劑與α,ω-二烯單體在溶液相中合成具有“梯形”支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型聚乙烯，為兼具LDPE型加工性能與LLDPE型力學(xué)性能的材料設(shè)計(jì)提供了新路徑。
01
試驗(yàn)方案
使用亞氨基烯酰胺催化劑與不同用量癸二烯制備的聚合物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（方案1至5），以及常規(guī)癸二烯聚合（方案6）和LDPE（方案7）的對(duì)比樣本。
表1 試驗(yàn)方案
方案1至5實(shí)驗(yàn)條件：2升半間歇反應(yīng)器，T=150°C，異鏈烷烴E型溶劑=600 g，Al(i-Bu)?=240 psi，乙烯=15 g（190 psi），催化劑：亞氨基烯酰胺=0.4 μmol，助催化劑：四(五氟苯基)硼酸甲基二(十四烷基)銨=0.48 μmol，MMAO-3A=10 μmol，運(yùn)行時(shí)間=10分鐘。催化效率以每克金屬生成聚合物千克數(shù)（kgPol/g金屬）計(jì)。
方案6采用受限幾何催化劑（CGC，單鏈催化劑）進(jìn)行的癸二烯聚合。
方案7高度支化的商業(yè)高壓釜法LDPE（熔融指數(shù)I2=0.5dg/min，測(cè)試條件190°C）
02
定量核磁分析
通過(guò)定量1H和13C核磁共振（NMR）波譜技術(shù)，獲得了二烯偶聯(lián)過(guò)程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)信息。圖5展示了癸二烯含量最高的聚合物（表1，條目5）的13C NMR譜中兩大特征：首先，以聚合物主鏈（-CH?-）特征峰（30.0 ppm）為參照，在38.17、34.50和27.21 ppm處觀察到一組特征峰（峰1、2、3），其相對(duì)積分比為1:1:1。
展開(kāi) .: 空間不均勻性作為結(jié)構(gòu)特性表征金屬玻璃的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性
【引言】
晶態(tài)材料的力學(xué)性能可以通過(guò)引入溶質(zhì)原子、位錯(cuò)、孿晶和晶界等晶體缺陷，用固溶強(qiáng)化、Taylor應(yīng)變強(qiáng)化和Hall-Petch晶界強(qiáng)化模型來(lái)定量描述。然而對(duì)于無(wú)序的金屬玻璃，還缺乏可以準(zhǔn)確定義材料力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)參量。
【成果簡(jiǎn)介】
為描述結(jié)構(gòu)無(wú)周期性的金屬玻璃的力學(xué)行為，自由體積（free volume）、流變單元、以及剪切轉(zhuǎn)變區(qū)域（STZs）等概念已被引入金屬玻璃彈性-塑性轉(zhuǎn)變的研究中，來(lái)描述結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。盡管流變單元和STZ理論是基于金屬玻璃結(jié)構(gòu)不均勻性是剪切局域化及剪切軟化起源的假設(shè)，有關(guān)金屬玻璃結(jié)構(gòu)不均勻性和宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系仍未明確建立起來(lái)。受實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，還未能描述金屬玻璃空間不均勻性，并確定其和宏觀力學(xué)性能之間本征關(guān)聯(lián)的定量關(guān)系。
近日，上海交通大學(xué)尖端物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中心團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為“Spatial heterogeneity as the structure feature for structure–property relationship of metallic glasses”的文章。該工作報(bào)道了納米尺度空間不均勻性是金屬玻璃固有的結(jié)構(gòu)特征，和強(qiáng)度及形變行為有著本征關(guān)聯(lián)。金屬玻璃的強(qiáng)度和楊氏模量可以通過(guò)空間不均勻性特征長(zhǎng)度倒數(shù)的平方根來(lái)定義。此外，時(shí)間相關(guān)的應(yīng)變弛豫的拉伸指數(shù)也可以通過(guò)特征長(zhǎng)度來(lái)定量描述。該研究有力證明了空間不均勻性可作為描繪金屬玻璃力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)參量。
展開(kāi) 汽車碰撞安全與輕量化研發(fā)中的若干挑戰(zhàn)性課題
我們基于精細(xì)化的材料力學(xué)行為表征（圖8），揭示了中高應(yīng)變率范圍內(nèi)輕質(zhì)合金和高強(qiáng)鋼材料力學(xué)特性的變化規(guī)律，建立了考慮應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)耦合影響的輕質(zhì)合金塑性和斷裂表征方法[31-34]；提出了多級(jí)應(yīng)變率下某類高強(qiáng)鋼的統(tǒng)一塑性硬化主曲線理論，由此建立了該類材料的應(yīng)變率相關(guān)塑性硬化特性表征方法[35]；與MIT合作研究發(fā)展的MMC斷裂準(zhǔn)則預(yù)測(cè)斷裂位移的精度，比常規(guī)的彈塑性材料模型的精度提高了55%以上；揭示了應(yīng)變率、溫度與應(yīng)力狀態(tài)對(duì)熱塑性高分子材料屈服、流動(dòng)和斷裂特性的影響規(guī)律，建立了完整的熱塑性高分子材料大變形和斷裂力學(xué)行為表征方法[36-37]；針對(duì)碳纖維三維編織復(fù)合材料，通過(guò)試驗(yàn)和仿真，我們研究了編織和鋪層形式對(duì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響[38-39]。
圖8 輕量化材料的塑性變形和斷裂行為及失效預(yù)測(cè)技術(shù)
在結(jié)構(gòu)連接接頭碰撞失效研究中（圖9），開(kāi)發(fā)了沖擊韌化環(huán)氧膠粘劑的應(yīng)變率相關(guān)材料模型和失效準(zhǔn)則[40]，提出了點(diǎn)焊接頭拉拔失效的等效模擬方法[41]，建立了點(diǎn)焊與膠接復(fù)合連接接頭的高效率仿真模型[42-43]，揭示了點(diǎn)焊和膠接連接在典型載荷作用下的互補(bǔ)機(jī)制，證明點(diǎn)焊在膠層裂紋擴(kuò)展中發(fā)揮了有效的止裂作用，膠層則顯著緩解了結(jié)構(gòu)性能對(duì)點(diǎn)焊數(shù)量的依賴程度[42-43]，為膠焊連接的輕量化車身設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。針對(duì)點(diǎn)焊部件的碰撞失效，探明了隨加載速率和加載模式變化的點(diǎn)焊接頭失效模式轉(zhuǎn)變規(guī)律、內(nèi)在機(jī)理及其與點(diǎn)焊工藝條件的關(guān)聯(lián)性，揭示了焊點(diǎn)排布對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)變形模式和吸能特性的影響規(guī)律[44]。
展開(kāi) 聚酰亞胺纖維/石墨烯氣凝膠：原位縮合節(jié)點(diǎn)“焊接”，超彈形變力熱可調(diào)
圖2 PINF/GA力學(xué)性能表征、彈性模型和回彈機(jī)理示意圖。
圖3 PINF/GA熱性能表征、有限元模擬和理論計(jì)算示意圖。
圖4 PINF/GA小型瞬態(tài)溫度系統(tǒng)熱性能表征。
圖5 PINF/GA柔性觸覺(jué)傳感性能表征。
END
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原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)——材料微觀力學(xué)性能
材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試儀器具有：微觀、原位、復(fù)合載荷、多物理場(chǎng)耦合四大特點(diǎn)，其中復(fù)合載荷、多物理場(chǎng)耦合特點(diǎn)在傳統(tǒng)宏觀力學(xué)測(cè)試儀中有應(yīng)用，微觀、原位是不同于傳統(tǒng)宏觀力學(xué)測(cè)試試的特點(diǎn)。微觀測(cè)試：宏觀測(cè)試 傳統(tǒng)力學(xué)測(cè)試，（原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）針對(duì)的都是宏材尺度試件；微觀測(cè)試 微納米級(jí)；納米尺度下對(duì)試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試；微納米力學(xué)測(cè)試相比于傳統(tǒng)的力學(xué)測(cè)試在測(cè)試精度上有著本質(zhì)的提升，（原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）使得人類可以從更為微觀的理解材料的力學(xué)性能與微觀未知世界。原位：對(duì)材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試中，通過(guò)掃描電子顯微鏡等儀器對(duì)載荷作用下材料變形損傷進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一種力學(xué)測(cè)試新技術(shù)。（原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）原位測(cè)試儀器：在顯微成像設(shè)備的腔體內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)材料拉伸/壓縮力學(xué)性能測(cè)試的系統(tǒng)；（原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）獲得彈性模量、屈服極限及破壞極限等重要力學(xué)參數(shù)；并結(jié)合顯微成像設(shè)備的圖像記錄功能材料的損傷變形、裂紋產(chǎn)生等力學(xué)行為分析。 （原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）離位測(cè)試：試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料試作進(jìn)行拉伸試樣；由試驗(yàn)機(jī)繪出載荷-伸長(zhǎng)曲線，進(jìn)而得到載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；拿經(jīng)過(guò)拉伸試驗(yàn)的試件去掃描電鏡進(jìn)行放大觀察分析，（原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）電鏡將試件放大到5000倍觀察即是微觀級(jí)別，放大到10000倍是納米級(jí)別。
納米力學(xué)主要研究納米尺度物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，有非常廣泛和重要的科研和應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的力學(xué)系統(tǒng)通常由牛頓力學(xué)描述，（原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）而納米力學(xué)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)力學(xué)體系無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和動(dòng)力學(xué)特性，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。產(chǎn)生超強(qiáng)非線性效應(yīng)和非對(duì)稱的振動(dòng)傳播，（原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)）對(duì)未來(lái)該領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究起到了重要推動(dòng)作用。 眾所周知，胡克定律是支配力學(xué)系統(tǒng)的重要規(guī)律，其可以表述為對(duì)于微小的形變，力學(xué)系統(tǒng)的響應(yīng)是線性的。
展開(kāi) 精沖鋼微觀組織對(duì)其力學(xué)性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究
為了研究精沖鋼不同微觀組織對(duì)精密沖裁工藝的適應(yīng)性，分別建立基于材料組織的微觀代表性體積單元（RVE）模型和基于子模型法的RVE——宏觀有限元耦合多尺度模型，研究了球化退火后材料基體中滲碳體顆粒不同直徑、體積分?jǐn)?shù)以及碳化物帶分布特征對(duì)拉伸、剪切力學(xué)性能和精沖性能的影響。
精密沖裁工藝是在很小的凸凹模間隙下，利用精沖凸凹模、反頂凸模及V形齒圈的共同作用使沖裁變形區(qū)處于較高的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，材料延遲斷裂的時(shí)間顯著延長(zhǎng)，進(jìn)而獲得高質(zhì)量沖裁斷面。與傳統(tǒng)板料沖裁方法相比，精沖工藝條件更為嚴(yán)苛，對(duì)所用板材的要求也更高。目前，最常用的精沖材料是精沖用低碳鋼板，通常經(jīng)歷熱軋、冷軋、退火處理等工序得到。
代表性體積單元（RVE)常被用于模擬研究具有多相微觀組織的材料性能，如材料的流動(dòng)應(yīng)力曲線、損傷和斷裂特性等力學(xué)性能。將RVE模型作為子模型，并結(jié)合宏觀有限元模擬得到的某單元位移場(chǎng)變化，構(gòu)建宏觀—微觀模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜成形工藝關(guān)鍵位置處不同微觀組織變形行為的模擬。
本文通過(guò)數(shù)值模擬研究了精沖鋼不同的微觀組織對(duì)其力學(xué)性能和精沖性能的影響。首先，針對(duì)球化退火后的滲碳體顆粒直徑、體積分?jǐn)?shù)、分布狀態(tài)以及未退火的珠光體組織，分別建立了不同的RVE模型；其次，對(duì)不同微觀組織模型施加拉伸、剪切邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬研究；再次，基于子模型法，在精沖試驗(yàn)宏觀有限元模型中提取剪切變形區(qū)中心位置單元的位移歷史作為RVE模型的邊界條件，構(gòu)建宏觀—微觀模型以探究不同微觀組織對(duì)精沖性能的影響；最后，通過(guò)對(duì)比分析模擬所得的子模型單元失效情況與實(shí)際精沖試樣的掃描電鏡（SEM)觀察結(jié)果，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。
精沖鋼的微觀組織
精沖工藝相同時(shí)，精沖材料的性能很大程度上決定了精沖質(zhì)量。如前所述，精沖用低碳鋼板因原材料、軋制工藝、退火工藝等的差異，導(dǎo)致材料的微觀組織及性能也會(huì)存在差異。
展開(kāi) 金屬材料力學(xué)性能檢測(cè)
灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能，其抗彎強(qiáng)度是灰鑄鐵的重要力學(xué)性能指標(biāo)。2、可以測(cè)定硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度。這些材料加工困難，難易制成拉伸試樣。而彎曲試樣形狀簡(jiǎn)單，故利用彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)其性能和質(zhì)量。3、可以測(cè)量陶瓷材料、工具鋼的抗彎強(qiáng)度。這些脆性材料測(cè)定抗拉強(qiáng)度很困難，且試樣加工也比較困難，因而采用彎曲試驗(yàn)。4可以用來(lái)檢測(cè)和比較表面熱處理層的質(zhì)量和性能。因彎曲試驗(yàn)對(duì)材料表面缺陷敏感。5、可以用來(lái)檢測(cè)材料在受彎曲載荷下作用下的性能,因?yàn)樵S多機(jī)械零件(如脆性材料制作的刀具等)是在彎曲狀態(tài)下工作的,需要對(duì)這些零件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。
3、沖擊試驗(yàn)一種動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，主要用來(lái)測(cè)定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗(yàn)。
根據(jù)試樣形狀和破斷方式，沖擊試驗(yàn)分為彎曲沖擊試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)沖擊試驗(yàn)和拉伸沖擊試驗(yàn)三種。橫梁式彎曲沖擊試驗(yàn)法操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣。按試驗(yàn)溫度常分為常溫沖擊試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)。韌性是材料承受載荷作用導(dǎo)致發(fā)生斷裂的過(guò)程中吸收能量的特性。沖擊吸收功的測(cè)量原理為沖擊前以擺錘位能形式存在的能量中的一部分被試樣在受沖擊后發(fā)生斷裂的過(guò)程中所吸收。擺錘的起始高度與它沖斷試樣后達(dá)到的大高度之間的差值可以直接轉(zhuǎn)換成試樣在沖斷過(guò)程中所消耗的能量，試樣吸收的功稱為沖擊功（Ak）。采用系列沖擊試驗(yàn)，即測(cè)定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，可以確定其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，即當(dāng)溫度下降時(shí)，由韌性轉(zhuǎn)變成脆性行為的溫度范圍，在Ak-T曲線上表現(xiàn)為Ak值顯著降低的溫度。曲線沖擊功明顯變化的中間部分稱為轉(zhuǎn)化區(qū)，脆性區(qū)和塑性區(qū)各占50%時(shí)的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）。當(dāng)斷口上結(jié)晶或解理狀脆性區(qū)達(dá)到50%時(shí)，相應(yīng)的溫度稱為斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度（FATT）。脆性斷裂：材料在低溫?cái)嗔褧r(shí)會(huì)呈現(xiàn)脆性斷裂，所謂脆性斷裂即材料在極微小甚至沒(méi)有塑性變形及其預(yù)警的情況下所發(fā)生的斷裂，低倍放大鏡下斷口形貌往往是光亮的結(jié)晶狀。
展開(kāi) 材料力學(xué)性能
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