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采用半固态连接技术制备了不锈钢-铝合金双金属材料,参照ASTM-E813标准,对这种双金属材料界面断裂行为进行了试验及数值分析,以KIC为评价指标,对不锈钢-半固态铝合金界面与铝合金基体的断裂韧性进行了比较.研究结果表明:采用三点弯曲实验方法,可以显著降低界面裂纹尖端的复杂应力水平;半固态连接不锈钢-半固态铝合金界面断裂为典型的脆性断裂,界面临界断裂韧性略低于基体铝合金的断裂韧性.

关键词: 半固态连接 , 双金属材料 , 界面断裂 , 三点弯曲 , 断裂韧性

内嵌弹性区和结合力模型在薄膜/基底界面断裂中的应用

李然 , 余寿文

复合材料学报 doi:10.3321/j.issn:1000-3851.2002.03.020

薄膜/基底结构是微电子学和材料科学中广泛应用的典型结构.由于加工工艺中材料力学、热学性能失配等原因导致的薄膜中出现的残余应力,是界面裂纹的萌生和扩展的重要原因.采用三参数(Γ0,/σy,t)的修正的断裂过程区结合力模型,讨论了在塑性氛围下裂尖解理断裂的过程,裂尖应力分布,裂尖形貌和表征裂纹尖端断裂过程区特征参数对断裂过程的影响,并应用到均质金属薄膜/陶瓷基底结构中残余应力导致界面裂纹起裂和扩展的全过程分析中.

关键词: 内嵌弹性区 , 结合力模型 , 薄膜/基底结构 , 界面断裂

多材料构件界面断裂分析

徐浩 , 陈浩然 , 任明法

复合材料学报

为了解决含有橡胶材料的界面断裂问题,提出了一种改进的虚裂纹闭合技术,该技术采用逐步线性化的方法,同时考虑了材料非线性与几何非线性的影响.首先,计算了双裂纹橡胶试件裂纹尖端的能量释放率,通过与已有文献的比较,可知所提出的改进的虚裂纹闭合技术是可靠、有效的.其次,对含有橡胶夹层的SLB模型进行了研究,通过计算分层前缘能量释放率Ⅰ型、Ⅱ型分量,和其与总能量释放率的比值,可知橡胶材料的引入使结构的能晕释放率总量增大,Ⅱ型分量的比例明显增大.在多材料体系连接结构的断裂分析中,计算了不同分层位置下裂纹的能量释放率,并考虑了外层纤维缠绕层尺寸变化对能量释放率的影响.最后,提出了相应的多材料体系构件的断裂准则.

关键词: 改进的虚裂纹闭合技术 , 多相材料连结构件 , 界面断裂 , 能量释放率 , 有限元

直升机桨叶蒙皮大梁粘结面分层裂纹端部场分析

马存旺 , 刘勇 , 张呈林

复合材料学报

针对直升机桨叶受离心力、挥舞和摆振弯曲、扭矩等载荷特性,采用非线性桨叶结构模型,推导了复合材料桨叶蒙皮的广义二维位移方程.在此基础上,基于Stroh理论,应用各向异性界面断裂力学给出桨叶蒙皮大梁粘结面分层裂纹端部的应力与位移通解的渐近表达式.联合其特解,采用边界配置法计算了离心力作用下桨叶蒙皮与大梁之间存在分层裂纹时裂尖的奇异应力及应力强度因子,与采用界面元法计算的结果接近,表明本文方法可有效地分析复合材料桨叶蒙皮大梁问的分层破坏,为研究桨叶分层失效提供依据.

关键词: 直升机桨叶 , 蒙皮与大梁 , 分层裂纹 , 界面断裂 , 应力强度因子

泡沫夹芯复合材料梁界面裂纹曲折扩展实验与数值模拟

王灿 , 陈浩然

复合材料学报

采用双悬臂梁（DCB）试验研究了具有不同密度的PMI泡沫芯体的玻璃纤维增强复合材料夹芯梁界面裂纹曲折破坏路径。基于包含裂纹的物质点算法（MPM），建立了与试验研究相适应的MPM模型，在不同的面板／芯体模量比下计算了界面裂纹裂尖模态比和曲折破坏角，并结合曲折破坏准则模拟了界面裂纹曲折破坏路径。数值模拟结果和试验现象吻合良好，说明了本文中数值分析模型和方法的有效性。研究结果表明，面板材料和芯体材料模量失配越严重，界面裂纹发生曲折破坏时的破坏角越大；裂纹折人芯体后，在I型为主的加载模式的支配下以基本平行于界面的方向扩展。

关键词: 复合材料夹芯梁 , 界面断裂 , 曲折破坏 , 裂纹扩展路径 , 物质点方法

层合板层间断裂分析的组合界面单元及其特性

李彪 , 李亚智 , 刘向东 , 苏杰

复合材料学报

提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型界面单元,该界面单元嵌在板壳结构界面之间,可用来模拟界面损伤的起始和演化,能考虑板壳的平动和转动对分层损伤的作用.该界面单元具有有限厚度,八个结点,每个结点有五个自由度,通过刚性元将板壳单元结点的位移和结点力转换到内部零厚度的内聚力单元上,界面损伤通过内聚力单元的损伤演化体现出来.采用板壳单元和新型界面单元建立有限元模型,对混合弯曲(MMB)试验和双悬臂梁(DCB)弯曲试验进行了计算模拟,计算结果能很好地模拟结构的界面损伤过程.相比传统的用内聚力单元和三维实体单元组成的模型,建模方便,在精度相当的前提下,可以使单元尺寸增大一倍,减少裂尖内聚力区域(cohesive zone)内的单元数量,缩小计算规模,提高计算效率.

关键词: 板壳结构 , 界面单元 , 界面断裂 , 内聚力模型 , 复合材料层合板

热力载荷下多材料构件连接区的界面断裂分析

王舒 , 任明法 , 陈浩然

复合材料学报

应用改进的虚裂纹闭合技术对热、力载荷作用下多材料构件连接区界面进行断裂分析.首先,通过对含橡胶夹层的复合材料层合板单腿弯曲(SLB)试件断裂分析,研究了在不同温度载荷作用下,橡胶夹层对试件能量释放率及其各型分量的影响.其次,对具有热流边界下,典型复合材料-橡胶-金属组成的多材料圆柱壳体连接裙结构进行了热力耦合断裂分析,结果表明裂纹总能量释放率随温度升高而增大.最后,针对该连接裙结构讨论了裂纹位置和橡胶层厚度对裂纹能量释放率的影响,指出适当增加橡胶层厚度可以降低裂纹能量释放率,但橡胶厚层度与界面韧性之间存在尺寸效应.

关键词: 多材料构件连接区 , 界面断裂 , 热力载荷 , 改进的虚裂纹闭合技术 , 能量释放率

SiNx 薄膜在纳米压痕下的变形和断裂行为?

安涛 , 邓晓芳 , 王丽丽 , 宋立军

功能材料 doi:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.044

利用磁控溅射方法在Si(111)衬底上制备了厚度为1μm 的非晶 SiNx 薄膜，采用纳米压痕方法研究了薄膜的变形和断裂行为.傅立叶变换红外光谱显示实验获得了较为纯净的 SiNx 薄膜.SiNx 薄膜在纳米压痕下呈现出放射状的脆性断裂特征，随着压入深度的增大，放射状裂纹的长度逐渐增加.最大压入深度达到1500 nm时，薄膜和衬底间出现了扇形的界面断裂，并且这一界面断裂是在卸载过程中发生的.到最大压入深度达到2500 nm时，原位原子力显微镜照片可以清晰的观察到界面断裂及放射状裂纹.界面断裂韧性计算结果表明， SiNx 薄膜和Si(111)衬底间易形成脆性较大的共价结构界面，这是其界面断裂韧性较小的原因.

关键词: SiNx 薄膜 , 纳米压痕 , 脆性断裂 , 界面断裂