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关键词： 复合陶瓷   材料结构   枪弹侵彻   材料力学  

摘要： 防弹衣是一种能吸收和耗散弹头、破片动能，阻止穿透，有效保护人体受防护部位的特殊服装。而评价一件防弹衣防护效果的标准则是其防枪弹贯穿性伤害的能力和防器官组织非贯穿性伤害的能力两方面。枪弹贯穿性伤害是指子弹或炮弹的破片高速撞击人体，并与身体直接接触，从而对人体造成的损伤；器官组织非贯穿性伤害(NPT)则指虽子弹和破片并未与人体直接接触，但因其强大冲击力而造成对人体组织器官的损伤，其中包含皮肤挫伤、软组织受损、骨折，严重的甚至会造成内出血、气胸、肺撕裂等，最后导致死亡。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法，以防弹衣为最终目的研制了一种新型的复合防护结构，并分别对其防枪弹贯穿性伤害的能力和防器官组织非贯穿性伤害的能力进行了分析验证。本研究主要内容包括：\n ⑴参照第三代复合式防弹衣的基本形式，提出了一种“陶瓷-纤维-铝”的新型防护结构，并验证了其防枪弹贯穿性伤害的能力，结果表明：在150～250 m/s的速度区间，由 Al2O3陶瓷、玄武岩纤维、开孔泡沫铝和2024铝合金背板组成的复合防护结构能有效的抵御弹体的侵彻，并且每种材料在结构中都起到了不可或缺的作用；增加陶瓷面板的厚度，可以明显提高整个复合结构的抗弹性能；在陶瓷总厚度不变的情况下，无论是否在其中添加其它防护材料，多层陶瓷结构的抗弹性能均不如单层陶瓷的复合结构；并且所分层数越多，其防护能力越差。\n ⑵利用分离式 Hopkinson压杆研究了不同应变率下泡沫铝材料的动态力学性能，结果显示，与一般金属不同，泡沫铝材料的动态压缩过程分为三个阶段，弹性段、塑性平台段以及压实段，由于泡沫铝拥有了一般材料所没有塑性平台段，所以其也拥有了比一般材料更好的缓冲吸能效果。通过比较材料在不同应变率下的应力应变曲线可以发现，当材料的应变率大幅增加时，其屈服应力仅有微小的增量，所以泡沫铝材料体现了其对应变率不敏感的特性。\n ⑶在“陶瓷-纤维-铝”的复合防护结构中，加入泡沫铝材料，并利用PVDF压电计测量验证了结构的防器官组织非贯穿性伤害的能力，结果显示，泡沫铝材料较好的减少了应力集中并充分的起到了缓冲吸能的作用，经过结构防护后测得的压力已不足以对人体产生严重的危害。\n ⑷通过实验研究了陶瓷/铝复合结构的抗侵彻能力，进一步讨论陶瓷分层对抗弹能力的影响，并利用数值模拟进行了验证，结果表明：在陶瓷/铝结构的撞击实验中，整块陶瓷的复合结构其抗弹性能要优于分层陶瓷结构，且结构的抗弹性能随着层数的增加而降低，这可能是因为将陶瓷分层后会减小在撞击中形成的陶瓷破碎锥的面积，使陶瓷吸收的冲击动能减少，从而降低整个结构的抗弹性能，且随着所分层数的增加，其形成的陶瓷锥面积减小，结构的抗弹性能会进一步降低。另外通过数值模拟研究了陶瓷破碎锥的形成过程，并认为其形成是压缩冲击波和反射应力波共同作用的结果。

关键词： 钛合金材料   固溶热处理   金相结构   材料力学  

摘要： TC16钛合金是俄罗斯用来制造飞机紧固件的主要材料，具有优异的室温塑性，在退火状态下能够冷镦成形，成形后的紧固件强度能够达到使用性能要求，可以直接使用。TC4钛合金是欧美航空航天部门应用最广泛的紧固件材料，在其加工成紧固件时需要热镦成形，成形后需要固溶时效热处理。为了能生产出性能更优的飞机紧固件及深入挖掘两种材料的性能，本文系统地开展了不同状态下TC16钛合金的室温压缩变形行为、固溶热处理对TC16钛合金显微组织和拉伸变形行为的影响及TC4钛合金固溶时效处理对显微组织和力学性能的影响等方面的研究。主要研究内容包括：\n ⑴TC16钛合金压缩变形的真应力应变曲线由以下几个阶段组成：首先是弹性阶段，之后是快速应变强化的阶段，接着是接近线性强化阶段，然后为快速应变强化阶段，最后是应变软化阶段。在较低变形量时，位错滑移和应力诱发α\"马氏体分别是α相和β相的主要变形机制。在较高变形量时出现了大量剪切带，有效地细化了α相和β相晶粒尺寸。在75％变形量试样的纵截面和横截面都有纳米晶的出现。\n ⑵TC16钛合金在800℃固溶处理后，水淬和空冷试样在压缩变形过程中均开裂。在压缩变形过程中，α相的变形相对较小，主要由β相和α\"马氏体变形。压缩变形的断口相貌都是由剪切带和拉长的韧窝组成，断裂试样中明显存在单一的β相组织，并且该组织与由α相和β相组成的基体存在明显的裂纹。在固溶时效处理后，水淬和空冷试样在压缩变形过程中均开裂。初生α相变形较小，主要是次生α相和稳定β相参与变形，在固溶空冷然后时效试样的β转变组织中晶粒已经碎化成纳米晶。\n ⑶TC16钛合金在700和750℃固溶处理后水淬，产物由初生α相、亚稳β相和微。量ω相组成；随着固溶温度的升高，水淬样品发生了β→α\"马氏体相变；当从β单相区固溶温度淬火后，样品全部转变为α\"马氏体。在800～860℃固溶温度处理后淬火试样的拉伸曲线上出现了“双屈服”现象。在700～800℃固溶处理条件下，屈服强度随着固溶温度的升高而降低，在800～900℃固溶处理条件下，屈服强度随着固溶温度的升高而增大。水淬和空冷试样的拉伸曲线上出现了所谓的“双屈服”现象，水淬试样的屈服强度最低，空冷试样次之，而炉冷的试样屈服强度最高。\n ⑷TC4钛合金在700℃固溶处理后淬火，高温β相转变为亚稳β相，而亚稳β相中存在ω相；在800℃固溶处理后淬火，高温β相转变为α\"马氏体相；在850～1000℃固溶处理后淬火，部分高温β相转变为α\"马氏体相；在单相区固溶处理后，高温β相全部转变为α\"马氏体相。经各种不同温度固溶处理后的试样在540℃进行了时效处理，时效处理后，在β转变组织中均析出了次生α相。拉伸试验表明，950℃固溶处理后的试样，再进行540℃时效处理后的综合性能最优。TC4钛合金丝材的直径对固溶时效状态力学性能有显著影响：随着直径增大，材料的强度降低。

关键词： 超细晶纯铝   塑性变形   金相结构   材料力学  

摘要： 超细晶(UFG)和纳米(NS)结构材料由于其独特的结构和优异的性能，近些年来备受关注，塑性变形方式是制备这类材料的有效方式之一，但通过改变应变路径及增加应变量的严重塑性变形方法难以有效地细化纯铝的微观结构。最近通过动态塑性变形技术(DPD)成功地制备出块体超细晶金属样品，为我们深入系统地研究块体超细晶结构材料的微观结构和力学性能提供了条件。本研究利用动态塑性变形法和室温单向准静态压缩法(RT-QSC)，对不同纯度的纯铝系列样品(铝原子质量百分比含量分别为99.999％、99.993％和99.7％的纯铝，简称为5N、4N和2N Al)进行变形处理，制备出不同结构和力学性能的超细晶纯铝块体样品。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等手段对样品的微观结构进行表征。利用微观硬度测试和单向拉伸等手段对不同样品的力学性能进行测试。系统研究了变形条件与纯度对变形纯铝微观结构和力学性能的影响，并通过液氮温度动态塑性变形(LNT-DPD)制备的应变量为1.59的4N Al及其338 K5小时退火的样品研究了小角界面的相关力学性能。主要研究结果如下：\n ㈠变形温度和应变速率对4N Al微观结构和维氏硬度的影响：⑴降低变形温度和增大应变速率有利于应变导致的亚晶粒细化。LNT-DPD变形处理得到的亚晶粒的饱和平均短轴尺寸为240 nm左右，小于RT-QSC变形方式处理得到的512 nm的结果，这主要归因于在液氮变形温度和高达103 s-1的应变速率的变形条件下位错密度的显著增加。在这种塑性变形条件下，动态回复被有效抑制，进而通过形成大量的界面来细化亚晶粒。几乎所有的DPD样品界面的取向差角度均小于15度，LNT-DPD样品中大部分亚晶界的取向差小于5度。⑵由于低温高速变形过程中亚晶粒显著的细化，变形态4N Al的维氏硬度随着亚晶粒尺寸的减少而增加，并能很好地符合Hall-Petch关系，变形导致的低角界面起到了类似于普通高角晶界的强化作用。\n ㈡纯度对LNT-DPD纯铝系列微观结构和力学性能的影响：⑴LNT-DPD2N、4N和5N纯铝系列晶粒/亚晶粒的饱和平均短轴尺寸均在240 nm左右，几乎不受纯度的影响。⑵纯度对LNT-DPD纯铝系列样品的回复及再结晶产生了一定程度的影响，5N Al样品中观察到了明显的再结晶区域的出现。EBSD结果表明纯度对LNT-DPD变形导致的晶粒/亚晶粒界面取向差有较明显的影响：4N及5N Al样品变形区域界面的取向差集中在10度以下，平均取向差分布在2到3度之间，而2N Al样品界面的平均取向差则可达到14度左右。⑶相近晶糊亚晶粒尺寸的条件下，LNT-DPD2N Al样品的维氏硬度明显高于4N及5N Al这主要归结于LNT-DPD2N Al样品晶粒/亚晶粒内部较高位错密度以及界面取向差分布的影响。⑷LNT-DPD2N Al样品中界面取向差大于2度的低角界面同样可以起到与普通高角晶界一样的强化效果。\n ㈢LNT-DPD4N Al中相关小角晶界力学性能研究：⑴LNT-DPD4N Al应变量1.59样品338 K5小时退火后亚晶粒尺寸发生略微长大，样品的长短轴尺寸分别由退火前的342和236 nm增加到退火后的344和252 nm，而样品界面的平均取向差则由退火前的3.5度降低到退火后的3.2度。⑵应变量1.59的LNT-DPD4N Al样品经338 K5小时退火后，其屈服强度从退火前的154 MPa上升到退火后的168 MPa，而样品退火前后其断裂延伸率均在17％左右几乎无变化。低温退火导致亚晶粒在略微长大的同时可动位错密度迅速下降，而拉伸变形时低角晶界需要更高的应力水平来激活位错源产生位错，这使得样品退火后屈服强度增加，而在拉伸变形过程中低角界面相对于高角晶界更有利于位错的塞积，从而为退火态样品提供了一定的塑性，补偿了由于可动位错密度的降低，造成样品塑性的下降。

关键词： 环氧树脂   增韧改性   玻璃纤维   低温力学  

摘要： 作为低温用聚合物材料，环氧树脂以其优异的性能被广泛应用于航天、超导和低温工程等领域。但是关于纤维增强环氧树脂基复合材料的低温应用还在不断研究开发。本文以双酚F型环氧树脂为基体，玻璃纤维为增强材料，开展了玻璃纤维增强复合材料力学性能，尤其是低温力学性能的研究。在碳纳米管(MWCNTs)和正丁基缩水甘油醚(BGE)来改性环氧树脂基体基础上，将改性后的树脂基体与玻璃纤维进行复合，制备了玻璃纤维/改性环氧树脂复合材料。其后对复合材料体系的力学性能，如拉伸性能、弯曲性能、层间剪切性能、层间断裂韧性等进行了系统研究。并且采用了扫描电子显微镜(SEM)对体系的微观形貌进行分析，初步探讨了改性基体对于复合材料力学性能的影响机理。\n 本研究结果表明，在环氧树脂体系中，MWCNTs和BGE的加入能够有效改善复合材料的力学性能。不同MWCNTs含量影响复合材料的力学性能的结果显示，MWCNTs的最佳含量是0.5 wt％。在此基础上，在MWCNTs和BGE同时改性环氧树脂时，复合材料体系的力学性能获得最佳值。在对复合材料的断后试样表面SEM微观形貌分析中发现，改性后的基体改善了纤维与基体的界面状况，提高了界面粘接强度。改性环氧树脂对玻璃纤维束的影响发现，改性的环氧树脂可以提高玻璃纤维的力学强度和模量，进而改善复合材料的整体力学性能。此外，本文对增强机理进行了初步探讨。

关键词： 毛竹筒材   竹筒开裂   生材含水率   材料力学  

摘要： 竹林素有第二森林的美称，我国竹林面积和竹子产量均居世界首位。但竹子采伐后在储存和运输过程中容易开裂，尤其户外用原竹的开裂现象严重，造成巨大的资源浪费和经济损失。目前，对原竹筒材的研究较少，亟待开发经济有效的竹筒材防裂方法。本研究首次针对竹筒材进行系统的开裂机理及防裂技术的研究，并针对竹筒材的开裂程度制定准确简单、易于操作的定量评定标准。针对户外用4年生毛竹竹筒，分析竹材的宏观微观形态、基本物理力学性质与开裂的关系，深入探究竹筒材开裂的机理，并对竹筒材的防裂技术进行初步研究。主要结论如下：\n ⑴竹筒开裂程度评价方面：裂纹深度难以测量的条件下，建议用开裂总长度/竹筒表面积(l/S)作为衡量竹筒材开裂程度的指标。\n ⑵毛竹开裂与宏观形态的关系：①竹筒直径和壁厚对开裂程度的影响很显著，在其他宏观形态因素固定的情况下，毛竹直径和壁厚越大，开裂程度越大。②裂纹主要沿着强度较低的基本组织延伸，裂纹在靠近质地密实的竹黄时扩展速度变慢。\n ⑶竹材基本性质对开裂的影响：①生材含水率随高度位置的升高呈二次曲线减小，基本密度沿高度位置的升高线性增加，弦向干缩率在高度方向上差异不显著。②同一高度位置，弦向全干干缩率靠竹青部位约是靠竹黄部位的3倍，开裂易从竹青部位开始。③开裂总长度/竹筒表面积(l/S)随着竹筒生材含水率的增大呈二次曲线下降，随着竹筒基本密度和弦向干缩率增大呈二次曲线增大。\n ⑷毛竹竹壁层间性质差异分析：①节间部位，从竹肉到竹青，含水率线性减小，基本密度呈二次曲线增大。②竹青部位干缩率最大，易发生干缩，靠近竹青部位的基本密度和干缩率梯度最大，极易导致开裂；竹黄部位的梯度次之，竹肉部位梯度最小。③同一高度，节间部位径向各层抗拉强度差异较大，竹黄部位的弦向抗拉强度最大，为1O.5MPa，加之弦向干缩率小，裂纹不易在竹黄部位扩展；竹肉部位弦向抗拉强度急剧减小至5.9 MPa，从竹肉到竹青部位呈现逐渐增大，竹青部位为9.0 MPa。\n ⑸竹筒材防裂技术研究发现：去青刷桐油法的防裂效果好于筒身加箍法，能有效保持竹筒的水分；筒身加箍法无明显防裂效果。

关键词： 材料力学   高等学校   教材  

摘要： 本书共15章，依次为材料力学的基本概念、杆件的内力与内力图、轴向拉压杆件的强度与变形计算、材料在拉伸和压缩时的力学性能等内容。

关键词： 金属材料   材料力学性质   技术手册  

摘要： 本书全面系统地介绍了金属材料的各种力学性能测试方法，并归纳出了常用金属材料力学性能数据。其内容包括：金属材料力学性能相关知识，金属材料的拉伸性能、硬度、冲击性能、扭转性能、压缩性能、弯曲性能、剪切性能、断裂韧度、高温长时性能、疲劳性能的测试方法，以及铸铁和铸钢、工具钢、结构钢、不锈钢及耐热钢、高温合金和耐蚀合金、铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、锌及其合金、钛及其合金、镍及其合金的常用力学性能数据。本书内容系统全面，叙述详尽清晰，数据齐全可靠，查阅方便快捷，具有实用性、综合性、先进性、可靠性。

ISBN: (纸本)9787508488561

ISBN: (纸本)9787564609498

关键词： 骨   流动电位   骨微管   加载速率   羟基磷灰石   弹性模量  

摘要： 骨具有力电性质,即骨内应力产生电位的现象—SGP(stress-generated potentials),SGP产生于两种机理—压电效应和动电现象,骨的动电现象主要是指流动电位。骨内出现流动电位的外部原因是骨受力变形时所引起的压力驱动骨内哈佛氏管或骨小管内的液体流动而产生的。由于人体经常受动态载荷作用,研究骨在动态加载过程中流动电位的变化,更有助于了解骨细胞周围电环境的性质 首先,在位置控制模式下测试了加载速率对骨试样流动电位的影响,液体压力随时间非线性增加,结果发现随着加载速率增大,骨内流动电位稳定值有减小的趋势。 为了进一步证实上述结论,完善了骨流动电位测试系统,实现了在特定加载速率下的压力控制,即以流体压力为控制参数实现了液体压力的恒速加载。对试样在两种状态下应用五种加载速率进行了测试。一种液体能够从试样的各方向孔隙中流出,另一种骨试样侧面全部用硅胶密封液体,流体基本只能从哈佛氏管和福尔克曼氏管中流动。 结果发现两种密封情况随着加载速率提高,流动电位均有减小的趋势。当加载速率相同时,测得骨试样外侧全部密封时的流动电位稳定值比部分密封时减小了至少一半以上,在骨小管中产生的流动电位大于在哈佛氏管中产生的流动电位。 流动电位随着加载速率的提高而减小的原因是骨内微孔隙内壁非光滑性引起了湍流所致。 为了证明上述结论,利用FLUENT采用数值模拟的方法分析哈佛氏管中流体的流动状态。模拟结果说明,哈佛氏管靠近内壁附近出现湍流,加载速率越高湍流越明显。加载速率为360kPa/s比26kPa/s的湍流区域明显大一些 第二项工作是探索骨替代材料的静态力学相容性。为了研究羟基磷灰石植入体内软组织对其弹性模量的影响,将羟基磷灰石植入大白鼠的皮下(与骨组织和软组织接触)20天、40天、60天、80天后将其取出,采用数字图像相关方法研究纤维组织对人造羟基磷灰石弹性模量影响。研究结果显示,羟基磷灰石植入大白鼠皮下20天时的弹性模量有明显增加,增加幅度为28.83%,之后弹性模量变化幅度不大。