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关键词： 材料力学   课堂教学   创新意识  

摘要： 随着材料力学教学改革方法的不断发展、创新,怎样做好课程的顶层设计、优化教学方法,提升课堂教学质量,加强培养学生分析解决问题及创新性思维能力,是摆在高校力学教师面前的一项重要课题。要取得良好的课程教学效果,教师除了知识点的讲授以外,还应充分重视课程教学思路的设计,从教材的宏观"脉络"出发,到具体的知识点,再到宏观的综合应用,这样学生的知识才能连成线,结成网,提升学生的综合能力,达到培养学生创新意识的目的。本文拟从材料力学课堂重要性、学生厌学原因分析等内容,探析其课堂设计思路及学生创新能力的培养。

ISBN: (纸本)9787121278624

关键词： C/SiC复合材料   数字图像相关法   力学参数   高温实验  

摘要： 连续碳纤维增强碳化硅（C/SiC）复合材料具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、耐磨、轻质等优势,在航空航天领域中应用前景非常广阔。然而,在高温服役环境下C/SiC复合材料及构件的失效问题一直限制了其广泛应用及可靠性评价,亟待发展新型实验测试技术及设备表征其高温力学性能。在高温服役环境下常规的力学性能实验表征方法遇到了极大的挑战,甚至完全失效。本文基于数字图像相关技术发展了一种在服役温度环境下实时表征C/SiC复合材料力学性能的新方法,搭建了一套高温力学性能测试系统;在常温下研究了C/SiC复合材料的断裂及R曲线特性;在1000oC到1600oC内研究了C/SiC复合材料弯曲力学性能;在常温到1000oC内研究了C/SiC复合材料的拉伸力学性能。具体工作内容如下:第一,自主设计和研制了一套基于数字图像相关法的材料高温力学性能实验测试系统。主要包括万能试验机、高温加载设备、三维变形光学测试系统、高温红外滤光系统等。结合自主研制的高温散斑制备工艺,实现了室温到1600oC范围内材料力学性能实时测试表征。第二,在常温下测试了C/SiC复合材料的断裂韧性、断裂强度及R曲线特性。采用基于数字图像相关技术的单边切口梁法得到了C/SiC复合材料在常温下的断裂韧性和断裂强度;通过对样品循环加载测试分析了C/SiC复合材料的R曲线特性。实验结果表明:在常温下C/SiC复合材料的断裂韧性为7.81±0.12 MPa·m1/2,断裂强度为223.23±3.5MPa;在R曲线测试中,随着裂纹的扩展,其应力强度因子从4.68 MPa·m1/2增加到16.83MPa·m1/2。第三,在1000oC到1600oC范围内测试了C/SiC复合材料的断裂韧性和断裂强度。采用自主研制的材料高温力学性能测试系统及高温散斑制备工艺,在不同温度下实时表征分析了C/SiC复合材料的断裂特性。实验结果表明:在室温到1600°C下,C/SiC复合材料的断裂韧性由8.55 MPa?m1/2减小到2.26 MPa?m1/2,断裂强度从269.36 MPa减小到82.60 MPa;随着温度的升高,C/SiC复合材料的断裂形式由脆性断裂逐渐演变成韧性断裂,呈现出不同的断裂形貌。第四,在常温到1000oC范围内测试了C/SiC复合材料的弹性模量和拉伸强度。采用高温三维变形光学测试系统研究了C/SiC复合材料的拉伸断裂特性,得到了C/SiC复合材料在高温下的弹性模量和拉伸强度。实验结果表明:在常温下C/SiC复合材料的弹性模量和拉伸强度分别为62.7 GPa和209.8 MPa;从600oC到1000oC范围内,其弹性模量从91.3 GPa减小到31.6 GPa,拉伸强度从221.6 MPa减小到131.3 MPa。

关键词： Silicon carbide  

摘要： In this work, Csf/SiC composite was hot pressed by adding short carbon fiber and nano carbon black and nano SiC powder into SiC powder by rapid hot press sintering in order to improve the fracture toughness and other mechanical properties. The density, hardness, phase composition, mechanical properties of Csf/SiC composite were studied, the toughening principle was also discussed. The results indicated that: the Csf/SiC composite had a high density of above 98% in less than 30vol.% short carbon fiber. The hardness was decreased with the increase of the amount of Csf fibe. The composite were mainly composed of 6H-SiC and C, the high temperature graphitization of short carbon fiber resulted the diffraction peaks of C in crystalline by XRD. Short carbon fibers were distributed uniformly and no aggregation in the matrix when contents of fiber were less 30vol.% by SEM test. The bending strength of the composite reached 423MPa at optimal conditions. Too many fibers in the matrix led to decline of bending strength sharply. The fracture toughness reached 4.9MPam1/2of maximum with more obvious toughening effect. The debonding, pullout and breakage behaviors of the Csf fiber and crack propagation were identified as the dominant toughing mechanism in such composites. © 2016 SERSC.

关键词： 教学方法   教学手段   实践能力   创新能力  

摘要： 本科阶段《材料力学》课程主要培养学生对简单杆件结构进行强度、刚度和稳定性进行分析的能力,是土木工程和道路桥梁与渡河工程等专业的一门重要专业基础课。针对实际课程教学中存在的问题,提出了一些改进措施。如适当引入前沿知识,激发学生求知欲和学习兴趣;恰当使用传统板书和多媒体授课方式;有效利用虚拟仿真技术;引入科技竞赛活动,培养学生的实践和创新能力等。实践证明上述措施有助于学生掌握相关知识。

关键词： 玄武岩纤维   缝合复合材料   力学性能  

摘要： 对比研究了基于玄武岩纤维增强的无缝以及缝合复合材料层板的弯曲、拉伸以及II型层间断裂韧性,研究结果表明:缝合有利于复合材料层板的弯曲性能,随着缝合密度的逐渐增加,弯曲强度先增大后减小,弯曲模量逐渐减小;缝合不利于复合材料层板的拉伸性能,随着缝合密度的逐渐增加,拉伸强度先减小后增大,拉伸模量逐渐增大;缝合提高了复合材料层板的层间断裂韧性,G;随着缝合密度的增大而增大。

关键词： C/SiC复合材料   Ti3Si(Al)C2   Al2O3/SiC-Ti3Si(Al)C2复合材料   力学性能   电导率   电磁屏蔽性能  

摘要： 近年来,电磁屏蔽材料在宇宙空间站、载人飞船、人造卫星、着陆飞行器、高空歼击机、质子加速器、核反应堆等特殊领域迫切需要。在这些场合,材料不仅要能屏蔽电磁波,保护内部人员及敏感元器件安全,还需防御雷暴、机械损伤、高能脉冲、宇宙射线、质子等影响和干扰。这要求材料除了具备优异的电磁屏蔽性能,还应具备良好的力学、热物理化学稳定性。因此研究兼具良好力学和电磁屏蔽性能的结构功能一体化材料迫在眉睫。C纤维增韧SiC陶瓷基复合材料（C/SiC）具有低密度、高强度、耐高温、裂纹不敏感等特点,是一种理想的热结构材料。此外,由于C纤维良好的导电性能,C/SiC有望作为一种理想的电磁屏蔽材料。Al2O3纤维具有强度高、耐腐蚀、抗氧化等优点,Al2O3纤维增强SiC陶瓷基复合材料（Al2O3/SiC）能满足作为热结构材料长时抗氧化的要求,特别是在中低温区（500～800oC）。但Al2O3纤维导电性能不佳,Al2O3/SiC很难满足电磁屏蔽性能的要求。本文首次将C/SiC和Al2O3/SiC作为结构功能一体化材料进行系统研究。从界面设计和电导率设计角度出发,通过理论计算,论证了C/SiC作为结构功能一体化材料的可行性,系统分析了SiC含量对C/SiC力学和电磁屏蔽性能的影响规律和机理,可为后续设计和制备结构功能一体化材料提供一定的理论依据;从界面设计和电导率设计角度出发,通过理论计算,指出了Al2O3/SiC作为结构功能一体化材料的不足,综合力学性能和电导率两方面因素,确定了通过反应熔体渗透法（RMI）,将兼具优异导电性能、抗氧化性能和力学性能的Ti3Si（Al）C2引入Al2O3/SiC基体中以期实现材料结构功能一体化的解决途径,制备了Ti3Si（Al）C2改性Al2O3/SiC复合材料,系统分析了Ti3Si（Al）C2引入对Al2O3/SiC力学和电磁屏蔽性能的影响规律和机理。本文的主要研究内容和结论如下:1.为实现材料结构功能一体化,从材料界面设计和电导率设计角度出发,优化设计导电C和不导电Al2O3两种纤维增韧SiC陶瓷基复合材料。（1）根据He-Hutchinson模型和理论计算,当C/SiC界面层为Py C且界面经过热处理后,材料能实现很好的界面脱粘,纤维可较好承载,满足材料力学性能设计要求;经计算,当Al2O3/SiC界面层为BN其未经热处理,材料也可实现界面脱粘,但是不理想;界面热处理后将更有利于材料脱粘,裂纹偏转,满足材料力学性能设计要求。（2）C纤维导电性能优良,经计算,C/SiC可满足材料电导率设计基本要求（在X-band,电导率高于6.9S/m）;Al2O3呈电绝缘特性,SiC呈半导体特性,经计算,Al2O3/SiC不满足材料电导率设计基本要求;在Al2O3/SiC中引入导电相Ti3Si（Al）C2后,材料可满足材料电导率设计基本要求。2.首次系统研究了SiC含量对C/SiC弯曲强度、断裂韧性、电导率、电磁屏蔽性能的影响及机理。（1）随着SiC含量的提高,材料弯曲强度由38提高到375MPa。断裂韧性由6.2提高到21MPa·m1/2。SiC含量的提高,使得纤维及纤维束间协同作用得到更好的发挥,纤维拔出更明显,有效纤维承载体积分数增多,纤维界面脱粘、纤维滑移、拔出、断裂更明显,纤维吸收能量更多,材料强度和断裂韧性均提高。（2）随着SiC含量的提高,材料的电导率由6.8±0.4S/cm下降到2.7±0.1S/cm。材料的总屏蔽效能由42.7d B降到31.4d B,材料以吸收屏蔽效能为主。电导率降低削弱了材料对电磁波吸收能力,从而导致材料吸收屏蔽效能的降低。3.研究了Al2O3/SiC在800oC下长时抗氧化性能,以及Ti3Si（Al）C2引入对Al2O3/SiC弯曲强度、断裂韧性、电导率、电磁屏蔽性能的影响及机理。（1）Al2O3/SiC在800oC氧化100h后,材料失重率为0.1%,且材料氧化后强度和韧性均有一定程度提升,表明材料具有很好的抗氧化性能。（2）由于Al-Si渗透过程温度过高,Al2O3纤维晶粒粗化严重,纤维严重受损,所制备Al2O3/SiC-Ti3Si（Al）C2材料弯曲强度和断裂韧性都低于Al2O3/SiC材料;Ti3Si（Al）C2高的强度、韧性及损伤容限在一定程度上保持了Al2O3/SiC-Ti3Si（Al）C2的强度和韧性,使得其强度和韧性没有因纤维损伤而严重衰减。（3）随着Ti3Si（Al）C2的引入,Al2O3/SiC的导电性能由0.53S/cm提升到6.66S/cm。电导率的提高一方面会增强材料的电磁波吸收能力,另一方面电导率的提高会加剧材料与空气的阻抗失配情况,使得材料反射电磁波的能力也增强。材料总的屏蔽效能由27.6提高到42.1,材料以吸收屏蔽效能为主。材料的吸收屏蔽机制主要有导电性能决定的导

关键词： 特种金属材料   材料的物理性质   工程力学   疲劳破坏   塑性材料   金属元素   脆性材料   金属间化合物   纯金属   金属和合金   载荷   生产生活   材料力学   低碳钢   铸铁   应用   选择   构件   构成   范畴  

摘要： 所谓金属材料，是指金属元素或金属元素为主构成的材料，具有金属的性质。我们常说的纯金属和合金（当然还有金属材料金属间化合物和特种金属材料等）都在金属材料这个大的范畴中。在实际的工程中，我们对于纯金属的应用很少，更多的研究和使用合金。材料力学和工程力学所研究的金属材料，可以分为塑性材料和脆性材料两大类。工程中常用的低碳钢和铸铁，分别属于塑性材料和脆性材料。一旦某种材料的构件，其载荷超出其力学极限，材料会发生破坏，不同金属材料的物理性质则为我们提供了它们的力学极限，指导生产生活中的选择。但并非所有破坏是在载荷超出力学极限才会发生，疲劳就是特殊的例子。所以，为了工程的安全，我们必须对于疲劳破坏进行深入的研究和了解。

关键词： 材料力学   压杆稳定   ANSYS有限元软件  

摘要： 文章针对材料力学压杆稳定性求解问题,提出了基于ANSYS有限元软件的辅助计算方法。首先介绍了压杆稳定问题的有限元求解方法,然后通过不同的算例,给出了有限元计算结果与材料力学理论解的比较及其之间的相对误差,验证了ANSYS有限元求解的便捷性、精确性,并指出这种方法是解决压杆稳性问题的有效工具。

关键词： 纳米结构金属   力学性能   变形机制   本构模型   分子动力学  

摘要： 纳晶金属材料由于其相较于传统粗晶金属材料具备更好的力学性能，引起了世界范围内材料科学家的广泛关注，逐步成为当今材料科学领域一个新的研究热点。尽管纳晶金属材料在屈服强度、硬度和耐磨性等方面性能优越，但是其塑性却不尽如人意，严重限制了其在相关行业上的推广和应用。通过实验观察和数值模拟分析发现，随着平均晶粒尺寸的下降，金属材料的主导塑性变形机制发生了转变，独特的微观结构导致其在塑性变形过程中过早地萌生了各种缺陷，从而造成材料失效。近年来，材料学家们通过对纳晶金属材料内部微观结构进行优化设计，制备出了一批保持高强度的同时又具有良好塑性的新型纳米结构金属材料。本研究以这类新型强韧化纳米结构金属材料为研究对象，针对不同微结构特点，采用理论模型分析方法构建了基于最细小晶粒、多层次纳米结构的本构模型，讨论了其对纳晶金属的强化作用，利用分子动力学方法研究了多晶镍纳米线的尺寸效应以及纳米孪晶结构对纳米线整体力学性能和主导塑性变形机制的影响，同时通过实验手段制备了纳晶银铜合金，并对其微观结构参数、热稳定性、力学性能以及塑性变形机制进行了研究。这一系列研究工作不仅可以为更为深入的理解纳晶材料内部变形机制提供参考依据，也为未来开发新型强韧化纳米结构材料提供理论支撑。本研究主要研究内容和结论如下:　　(1)构建了含最细小晶粒微结构的纳晶金属材料本构模型。该模型考虑了最小晶粒对晶界位错滑移的阻碍作用，推导了相应微结构的应力应变方程。同时在模型中引入纳米微裂纹随应变的演化方程，从而可以计算得出相应的失效应变点。通过分析发现位错与最小晶粒的相互作用有利于纳晶材料的应变硬化率的提高，同时纳米微裂纹的演化直接影响纳晶材料的失效行为。该模型可以很好地描述相应实验文献中纳晶材料的强度和塑性性质。同时注意到强度和塑性均受最小晶粒的体积分数和纳米微裂纹密度的影响。该模型的建立为纳米结构材料力学性能的优化工作提供了参考。　　(2)构建了基于多层次微结构纳晶合金的力学本构模型，用来描述多层次微结构纳晶合金金属材料的力学性能。该模型考虑了晶间和晶间溶质偏聚（多层次微结构）对位错运动的阻碍作用，可以得到多层次结构纳晶合金材料的应力应变曲线，较好地反映相应结构的多层次结构纳晶合金金属力学性质。对模型分析发现位错与多层次结构之间的相互作用有利于纳晶金属在变形过程中的应变硬化性质，而该性质在很大程度上影响纳米结构材料的塑性。进一步研究发现多层次结构纳晶合金的应变硬化率与多层次结构的体积分数有密切的关系。该定量模型为未来设计优化纳米金属材料力学性能提供了新的参考。　　(3)采用分子动力学方法模拟了不同半径多晶镍纳米线的拉伸变形行为，详细分析了直径对多晶纳米线流变应力和塑性变形机制的影响。模拟结果表明，在多晶镍纳米线变形过程中，晶界滑移主导晶间变形机制，位错形核滑移主导晶内变形机制。随着多晶镍纳米线半径的增加，平均流变应力逐渐增加，但增幅趋于平缓。这是由于径向分布的晶粒个数随着纳米线直径的增加而增加，限制了晶界的滑移，使更多的位错形核于晶界，在滑移扩展过程中相遇发生堆积缠绕进而对纳米线产生强化作用。位错密度随纳米线直径的增加增幅逐渐降低导致了流变应力增幅趋于平缓。　　(4)采用分子动力学模拟方法对纳米孪晶多晶镍纳米线的压缩性能进行了模拟。模拟结果发现随着内部孪晶层间距的变化，纳米孪晶多晶镍的屈服强度呈现反Hall-Petch关系，这一现象可以归因为多晶镍纳米线内部主导晶内变形机制随孪晶层厚度的变化而产生的转变。通过模拟，还对纳米孪晶多晶镍纳米线的压缩过程进行了原子尺度的观察和分析。　　(5)采用大规模分子动力学软件对纳米孪晶多晶镍纳米线拉伸过程中的变形机制进行了研究。从原子级别观察到了在拉伸过程中位错的形核和扩展。同时还发现，在纳米孪晶层厚度小于3.66nm时，随着厚度的减少，屈服强度也随之下降，呈现出明显的反Hall-Petch关系。原子尺度的分析表明导致这一现象的主要原因是晶内主导变形机制从不全位错形核并沿倾斜于孪晶平面的方向滑移转变为沿平行于孪晶平面的方向滑移。除此之外，还观察到了全位错和晶界迁移。着重讨论了拉伸过程中的应变局部化对纳米孪晶多晶镍纳米线失效的影响。这些发现将有助于对纳米孪晶多晶镍纳米线拉伸过程变形机制的理解，同时为未来通过调整微观结构制备更高性能纳米线提供了理论参考。　　(6)使用低温球磨原位固化法制备了块体纳晶Ag-20％Cu合金。使用差示扫描量热仪(DSC)以及原位加热X射线仪分别对制备态合金受热晶粒长大过程中的放热曲线、平均晶粒尺寸以及晶格应变进行了测量和计算。分别使用Kissinger法、Ozawa法和等温法对纳晶合金晶粒长大激活能进行了计算。Kissinger法和Ozawa法求得的激活能值较为一致，但是还不能很好的解释不同温度区间晶粒长大速率不同的现象。等温