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关键词： 材料力学   高职院校   实际工程  

摘要： 材料力学是工科类高职教学中重要的一门学科,也是基础专业课程。材料力学课程的教学目的是让学生完成材料力学的理论学习,并且通过相关知识进行实际问题的解决。因此,将课程教学的内容与实际工程进行联系,对于提高学生的实际动手能力与实践能力是非常必要的。本文对材料力学课程教学内容理论与实际工程联系的改革与发展进行了研究和分析。

关键词： 纳米晶体材料   力学性能   断裂韧性   位错理论   晶界滑移机制  

摘要： 相对于传统的粗晶材料而言，纳米晶体材料具有高强度高硬度的特点，但是同时又表现出很低的延展性和断裂韧性，这已然限制了纳晶材料的推广和应用。这与传统意义上的Hall-Petch关系理论认为的纳晶材料理应具有高强度高塑性的观点是不相符的。诸多研究表明纳晶材料剪切带的形成和发展是导致其韧性降低，材料过早失效的主要原因。本课题主要研究了最细小晶粒(晶粒直径为2～4nm)对于纳米晶体材料力学性能的影响，所做工作具体如下:\n (1)深入了解了剪切带的演化发展过程，总结了目前有关高强度、高韧性纳米晶体材料的出现，在此基础上提出了最细小晶粒(晶粒尺寸为2-4nm)能够有效地抑制剪切带发展，提高断裂韧性的设想。\n (2)研究了基于位错理论的晶界滑移机制对纳晶材料断裂韧性的影响，晶界位错由裂纹尖端处发射，沿晶界滑动并在三晶交处堆积。位错发射过程中可以对裂纹产生屏蔽作用，提高材料断裂韧性;\n (3)建立了基于最细小晶粒存在的纳晶材料分布模型。在该模型中晶粒包含两种形式:普通纳晶晶粒（晶粒直径在10-100nm之间）和最细小晶粒。\n (4)研究了最细小晶粒的存在对晶界滑移机制的促进作用，最细小晶粒的存在促进了位错的发射能力和堆积能力，从而显著提高纳晶材料的断裂韧性。\n 根据以上研究工作，得出的结论如下:\n (1)当晶粒尺寸较小时(一般低于10nm)，基于位错理论的晶界滑移机制对纳晶材料断裂韧性具有较为明显的影响，最高可增韧30％;但是随着晶粒尺寸的增大，单一的晶界滑移机制就不能用于解释高强度高韧性纳晶材料的出现。\n (2)当最细小晶粒存在于三晶交处时，非晶晶界上会堆积多个位错;并通过拉盖尔多项式计算了晶界位错之间的距离。\n (3)三晶交处的最细小晶粒可以有效地堆积晶界位错，晶界上位错的个数受到晶界堆积位错能力和发射位错能力的共同影响。计算结果表明，晶界堆积位错的能力与最细小晶粒的尺寸有关，最细小晶粒的尺寸越大，堆积位错的个数越少;晶界发射位错的能力与普通晶粒尺寸有关，普通晶粒尺寸越大，发射位错个数越多。\n (4)通过对比基于最细小晶粒存在的纳晶材料有效应力强度因子K*IC和无位错影响的应力强度因子KIC，发现:在普通晶粒尺寸大于10nm的情况下，由于最细小晶粒的存在，纳晶材料的断裂韧性最高可提高100％，而且具有尺寸效应，随着普通晶粒尺寸的增加而减小;\n (5)最细小晶粒的存在，有效抑制了晶间裂纹的产生和发展，使得相邻裂纹无法连接在一起，防止了局部软化和剪切带的产生，大幅提高了纳晶材料的断裂韧性。本文提出的包含最细小晶粒的复合模型为高强度高韧性纳晶材料的制备提供了理论支持，对纳米晶体材料的研究指明了一个方向，具有一定的理论参考价值。

关键词： 苎麻纤维   脱胶率   复合材料   力学性能   制备工艺  

摘要： 本文主要研究了苎麻纤维脱胶率对其原长纤维和短切纤维复合材料力学性能的影响，以获得在不完全脱胶的情况下达到最优力学性能的复合材料产品，从而为低成本化、低污染化苎麻纤维复合材料的工业化生产提供理论基础。\n 课题研究包括三个方面:不同脱胶率下苎麻纤维的脱胶工艺确定和不同脱胶率下苎麻纤维的性能研究、苎麻原长纤维及短切纤维复合材料的制备工艺研究、不同脱胶率下苎麻纤维增强复合材料的力学性能研究。\n 本文通过对常规的苎麻纤维化学脱胶工艺进行调整和优化，获得了具有不同残胶率的苎麻纤维，并采用了纤维脱胶率指标来替代纤维残胶率指标，从而更好地表征苎麻纤维的胶质含量。通过多次脱胶实验，选用了四种不同脱胶状态下的苎麻纤维:脱胶率为0％的麻纤维（手撕原麻）、脱胶率为40％的麻纤维、脱胶率为70％的麻纤维和脱胶率为100％的麻纤维（精干麻），并对纤维性能进行了测试分析。结果显示，随着脱胶率的增大，纤维的拉伸断裂强力逐渐减小，摩擦系数逐渐增大，纤维表面也越来越光滑，但纤维纵向沟壑随之增多。由此可知，苎麻纤维不同脱胶率可能会对其复合材料的性能产生影响。\n 在苎麻纤维复合材料制备方面，为了获得纤维分散性更好、更为均匀的复合材料，对原长纤维进行人工扯松，对短切纤维进行机械扯松，利用絮棉被的方法铺网，采用树脂传递模塑(RTM)工艺制取了8种不同脱胶率下原长纤维复合材料和短切纤维复合材料，并对其力学性能进行了测试和分析。\n 结果表明，脱胶率对麻纤维热固性树脂复合材料性能的影响较为显著。随着苎麻纤维脱胶率的增大，原长纤维复合材料的拉伸性能和短切纤维复合材料的压缩性能波动性较大，原长纤维复合材料的弯曲性能和短切纤维的拉伸性能先增大后减小，原长纤维复合材料的压缩性能、剪切性能、冲击性能和短切纤维复合材料的的弯曲性能、剪切性能和冲击性能均有增加的趋势。特别是，纤维脱胶率为70％时，苎麻原长纤维增强复合材料的力学性能最优，当脱胶率为40％时，苎麻短切纤维增强复合材料的力学较优。总的来说，苎麻原长纤维增强复合材料的拉伸性能、弯曲性能优于苎麻短切纤维增强复合材料，压缩性能基本持平，但剪切性能和冲击性能却比苎麻短切纤维增强复合材料差。

关键词： 混凝土管   多基结构   界面适配层   材料力学  

摘要： 预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）与玻璃钢（Fiber Reinforced Plastics，简称FRP）夹砂管等是目前引水与给排水等工程应用的主要管材。这两类管道有各自的优点，但也存在缺点。为了克服它们的缺陷，并保留各自的优点，本课题在国家863计划《多基结构材料复合技术及在高压管制造中的应用》（2013AA031306）项目资助下，开展关于多基复合管道的相关研究。本文针对多基复合管道在前期研究中所出现的关键性问题，开展了关于FRP-混凝土复合材料的双基界面适配层的研究，通过大量实验，对其界面适配层的组成、结构与性能进行了分析；其次，通过有限元等计算分析方法，对多基复合管的埋地服役行为进行了分析计算，对管道制备脱模起吊进行了模拟分析。\n 本研究主要内容包括：⑴通过大量的FRP与混凝土双基界面的剥离实验与剪切试验，获得了在界面适配层制作中关键性的工艺参数。实验发现通过改变或选择合适石英颗粒的粒径，可使界面适配层上的水泥基握裹粘接力与树脂基粘接力发生变化，为获得高剥离强度与高剪切强度的双基界面设计工艺参数提供了依据，对改善或调控管道接口双基界面的剥离强度、剪切强度可提供有益的指导。⑵基于Spangler理论，简化了管-土间复杂的相互作用，并应用于有限元建模中的全局寻优迭代算法，获得了最大土压的量化参数；提出了基于Spangler理论的有限元迭代分析的途径并实现计算程序，针对具有柔性管特征的聚乙烯醇纤维延性混凝土多基复合管，完成了三维结构性能分析，可考虑不同地基差异引起的管道沉降，简化了埋地管线的三维结构复杂计算，可应用于长距离埋地管道和管件的工程计算与设计，并可推广到具有刚性管特征的多基复合管的变形分析。⑶针对多基复合管制备脱模起吊过程中面临的关键力学问题进行了计算模拟。基于现有多基复合管插口处的环向缠绕工艺，提出了增加玻纤增强织物的铺层方案，能有效提高管接头抗吊装的轴向拉伸强度及其插口的剪切强度，验证了插口界面适配层铺设粗粒径石英颗粒制作工艺参数的合理性，具有实用价值。⑷针对多基复合管在埋地服役中接头偏转工况，采用接触单元、橡胶超弹单元、界面单元，并考虑预应力等影响因素构建了多基复合管接头的三维有限元分析模型，重点对插口处界面适配层的工艺参数优化，多基复合管预应力作用影响进行了深入系统地数值模拟，成果对工程应用有指导意义。

关键词： 瞬时液相烧结   原位自生   微观组织   力学性能  

摘要： 采用粉末冶金瞬时液相烧结法制备了Al-Fe-Si/Al原位复合材料,应用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)研究了保温时间对瞬时液相烧结制备Al-Fe-Si/Al原位自生复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:随着保温时间的延长,原位自生Al0.5FeSi0.5相晶粒逐渐长大,材料表面孔隙尺寸减小;保温时间为4h时,粒状、短棒状增强相弥散分布在基体上;复合材料的压缩强度、最大弯曲挠度和弯曲强度随着保温时间的延长呈先上升后下降的趋势,但保温时间的延长对复合材料的弹性变形量和塑性变形量影响不大;随着保温时间的延长复合材料的界面结合增强。

关键词： 大块锆基非晶复合材料   应变速率   断裂强度   塑性变形  

摘要： 采用铜模吸铸法制备出直径3mm的[Zr0.72+x(Cu0.59Ni0.41)0.28-x]88Al12(x=0.05、0.10)棒状非晶复合材料。考察应变速率对合金压缩力学性能的影响。结果表明,随应变速率的增大,合金的塑性变形区域减小,锯齿流变现象逐渐消失;在相同成分下,随应变速率的增大,弹性模量逐渐升高,塑性应变和抗压强度则逐渐降低,屈服强度和断裂强度也基本呈下降趋势。在x=0.05、应变速率为0.55×10-4s-1时,塑性应变、抗压强度和断裂强度均为最大值,分别为6.77%、1 758MPa和1 629MPa。

关键词： 生物材料   纳米结构   材料力学   弹性模量  

摘要： 随着现代医学诊断技术的飞速发展，许多组织病变以及恶性肿瘤能够在早期被发现，然而已有的医学检查方法诸如活体穿刺，CT，核磁共振，超声检查等均为定性的方法，并且对组织病变和恶性肿瘤的检查分辨率在毫米量级，对于早早期的病变不能做出有效判断。原子力声学显微术(AFAM)将声学与原子力显微镜相结合，具有无创，快速，分辨率高以及定量化的特点，能够对生物组织纳米尺度力学性质做出评价。此外，众所周知，许多生物材料具有压电性，而铁电性是否存在于这些生物材料仍然存在争议。通过压电力显微镜(PFM)，我们能够对所测生物材料是否具有压电性做出判断，而采用翻转谱压电力显微镜(SSPFM)，我们则能够对所测生物材料是否具有铁电性做出评定。\n 本文对培养液中正常生长的胰腺癌细胞SW1990和胃癌细胞MGC-803进行液相AFAM实验，发现对于两种癌细胞，采用AFAM双频共振追踪技术均能给出两者单个细胞的模量分布，结果显示两者细胞核杨氏模量分别为0.1778kPa和0.251kPa，细胞质杨氏模量变化范围分别为0.177-0.1776kPa和0.245-0.250kPa。除了细胞外，骨的纳米力学性质也是研究者们重要关注点之一。常见哺乳动物的骨骼具有超凡的力学性能，如良好的强度和断裂韧性等，这些性能与他们纳米尺度到细观尺度的分层结构息息相关。在本文中，我们采用AFAM双频共振追踪技术测量猪脊椎骨皮质的局部弹性性质，发现扫描的皮质骨外边缘局部微区的弹性模量的变化范围为22-26GPa，其中Ⅰ型胶原蛋白分子的弹性模量为22GPa左右，矿化的胶原纤维的弹性模量为25GPa左右，而皮质骨内边缘局部微区的弹性模量的变化范围为17-23GPa，其中Ⅰ型胶原蛋白分子的弹性模量为18GPa左右，矿化的胶原纤维的弹性模量为22GPa左右，与单点纳米压痕实验测得的内外边缘弹性模量的平均值16.49GPa和24.54GPa相近。此外，我们还对皮质骨内边缘AFAM实验区域进行PFM实验，从实验结果能够清晰地看到，Ⅰ型胶原蛋白分子的d33为1.25pm/V，大于矿化的胶原纤维的d33，是造成骨压电性的主要原因。最后，对三方PZT陶瓷，鹿茸和香蕉皮进行PFM以及SSPFM的研究，PFM实验发现鹿茸和香蕉皮的振幅响应分别为190pm和25pm，相位改变分别为80.3·和48.2·，去除品质因子Q的作用，振幅减小为7.42pm和7.6pm，两者都表现出弱的压电性。SSPFM的实验发现，鹿茸和香蕉皮存在类似典型铁电材料三方PZT电滞回线和蝶形回线的相位-电压回线和振幅-电压回线，表明了在这两种生物材料中的确存在铁电性。

关键词： 热电材料   填充方钴矿   晶须结构   材料力学  

摘要： 综合材料性能、制备技术、环境友好和材料成本诸因素，填充方钴矿材料是目前最有潜力用于中温区（室温到500℃）发电的热电材料。通过单填、双填到多填以及纳米复合等方式，填充方钴矿热电性能的研究已经取得了许多成果，材料的热电优值(ZT值)已经取得了很大的提升，多填n型填充方钴矿在850K下的ZT值为1.7，是目前填充方钴矿体系中最高的ZT值。热电器件技术是热电材料技术走向热电系统应用技术的重要环节。热电器件在长期应用中的良好服役性能取决于优异的材料性能和先进的器件设计和制造水平，而其优异的材料性能既包括热电性能也涉及力学性能，因为热电材料需要承受因高温、大温差及其与电极材料热膨胀失配等因素造成的高应力应变使用环境。因此从热电材料的层次上讲，一个服役性能良好的热电材料需要既具备优异的热电性能又需要具备良好的力学性能。相比于填充方钴矿材料的热电性能研究进展，其力学性能的研究严重滞后，相关报道很少。根据现有的报道数据，填充方钴矿的力学性能很差，抗折强度和断裂韧性仅为～50MPa和约1-2MPam1/2，如此低的力学性能将严重影响方钴矿热电器件及其应用系统的服役性能。为此，本论文以p型填充方钴矿CeFe4Sb12为研究对象，基于复合材料显微结构和性能关系，借鉴传统陶瓷基、金属基和树脂基复合材料增强增韧的原理，通过分别引入碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须制备复合材料的技术，在确保复合材料热电性能基本不变或者略有提高的前提下，实现p型填充方钴矿CeFe4Sb12材料的增强增韧。\n 本研究主要内容包括：⑴采用放电等离子烧结的方法制备了碳纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须的p型填充方钴矿CeFe4Sb12热电复合材料。系统地研究了第二相碳纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须对复合材料力学性能和热电性能的影响。对低强度低韧性的p型方钴矿基体而言，碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须是比较合适的补强增韧相。CeFe4Sb12/1vol.％ Cf复合材料的抗折强度提高了52％，断裂韧性略有提升，ZT值提高了5％。CeFe4Sb12/5 vol.％ SiCw复合材料的抗折强度提高了88％，断裂韧性提高了55％，而平均ZT值基本不变。⑵引入不超过5vol.％的碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须可以提高p型填充方钴矿热电复合材料的抗弯强度和断裂韧性。复合材料的抗弯强度和断裂韧性随增强增韧相含量的增加和增加。高弹性模量的补强增韧第二相与p型填充方钴矿基体相界面没有低强度的扩散中间层，且基体具有比第二相高的热膨胀系数，从而导致第二相基体之间具有高的界面强度，可以在复合材料承受负载时进行载荷转移，达到增强的目的。复合材料的增韧机理包括裂纹偏转、裂纹桥接和纤维拔出。研究发现，碳化硅晶须既能起到增强又能起到增韧的作用，而碳纤维和碳化硅纤维的增强作用强于增韧作用。⑶引入少量的碳纤维时，碳纤维中的纳米结构可以成为附加的声子散射中心，导致复合材料的晶格热导率下降，而晶界的能量过滤效应导致复合材料塞贝克系数的上升，从而改善了复合材料的热电性能。少量碳化硅晶须的添加，由于电子热导率的下降和塞贝克系数的升高，导致复合材料的热电性能维持基本不变。

关键词： 材料力学   教学质量   教学内容   教学方法   多媒体技术  

摘要： 根据材料力学课程的特点及存在的问题,结合实践教学体会,从教学内容、教学方法与教学手段等方面进行了探索实践。提高了课堂教学质量,使学生能够有效地掌握材料力学知识。

关键词： 顺层边坡   溃屈失稳   压杆原理   材料力学  

摘要： 顺层边坡的失稳问题一直是工程地质学和岩石力学领域内极为瞩目和急待解决的问题之一。本文根据顺层边坡的地质背景及力学作用机制,抽象出了顺层边坡溃屈破坏的力学模型。利用板柱塑性压杆稳定性理论,结合材料力学的知识,推导出了相应的计算公式。利用文中理论方法及所建立的位移判据,并结合工程现场有效的量测手段,可方便、有效的判定岩质顺层边坡的稳定性。