摘要：探索物质力学性能极限是科学研究的前沿,发掘极限力学性能物质(材料或结构)可为国防军工等尖端领域发展提供物资基础.然而,杨氏模量、抗拉强度等力学性能的理论极限未知,引发长期以来悬而未决的争议与迷茫,诸如是否存在比金刚石更刚、更硬的物质?人类是否已经接近材料力学性能的边界?化学元素相互组合可形成无穷物质,仅已知物质结构就多达数百万种且数目仍在快速增长,从中发掘出性能突破现有纪录的物质挑战巨大.知识与数据交互驱动的研究范式源远流长、历久弥新,是发展和革新力学理论的宝典.近年来,在新型知识与数据交互驱动下,研究人员发展了更高效能的物质性能预报理论,确定了若干力学性能的理论极限,设计制备出若干性能接近于理论极限的物质.本文回顾梳理了相关领域的研究现状,探讨了相关领域的发展趋势及其面临的机遇与挑战.

摘要：多孔结构凭借轻量化、高比强度等优越性能,在现代工业领域受到越来越多的关注。增材制造技术的快速发展,使得具有复杂构型的多孔结构的制备成为可能,进一步促进了多孔结构设计方法的进步。多孔结构设计方法主要有尺度分离和尺度关联两种途径,本研究从尺度分离的思想出发,基于计算均匀化方法,针对随机(两种维诺型)和非随机(方框型)梯度多孔结构,发展了多尺度优化设计方法。该方法主要包括3个步骤:微观尺度微结构建模分析(涵盖微结构几何生成、等效物理量的计算、几何参数与各物理量之间映射关系的建立)、宏观尺度结构优化和全尺度多孔结构几何重构。该方法具有较高的计算效率,同时保证了相邻微结构之间的完美连接。利用贴体三角形网格划分,建立多孔结构全尺度有限元模型,以方框型梯度多孔结构和两种维诺型梯度多孔结构为例,开展了多孔结构尺寸效应分析及三点弯曲梁数值试验,验证了本研究方法的有效性和梯度多孔结构的优越性,研究表明多孔结构相对于单尺度结构具有较好的承载能力和延展性。

摘要：镍基单晶高温合金是制造航空发动机和重型燃气轮机涡轮叶片的关键材料,叶片在服役过程中遭受严重的低周疲劳(LCF).以往的实验研究表明铼(Re)的添加有效提高了高温合金的疲劳力学性能,但对其原因尚没有明确的解释.文章采用分子动力学模拟研究了Re对镍基单晶高温合金低周疲劳力学性能和微观结构演化的影响,从原子尺度解释了Re对提高镍基单晶高温合金低周疲劳力学性能和寿命的主要原因.结果表明Re的加入有效提高了镍基单晶高温合金的循环应力幅值和抗塑性变形能力,降低了高温合金的塑性应变和塑性应变能密度.在微观结构方面,Re的添加可以降低高温合金的位错密度,导致γ'沉淀相发生更少的塑性变形,降低了高温合金的塑性应变能密度.这主要是因为高温合金循环变形过程中Re原子对位错运动产生的钉扎与拖拽效应,导致位错运动受到更强的阻碍,从而导致含Re高温合金具有更高的循环应力幅值和更少的塑性变形.此外,由于Re对位错运动的钉扎与拖拽效应,提高了含Re高温合金微观结构的稳定性,从而产生更强的抗疲劳性能,提高了合金的疲劳寿命.研究成果有助于从原子尺度进一步理解镍基单晶高温合金中的低周疲劳性能及其Re效应,并为新一代镍基单晶高温合金的开发设计提供理论支撑.

摘要：光聚合是材料固化和加工的一种常见方式,其凭借反应迅速、时间空间可控、经济环保等优点,在工业生产领域有着广泛的应用。然而,在实际使用中,材料的本征聚合收缩受到周围刚性基质的约束,在材料内部以及材料与基质交界面处会产生不利的聚合收缩应力,从而严重影响材料的使用寿命。因此,如何准确测量材料的本征聚合收缩及受约束下的收缩应力,实现对聚合收缩应力的主动控制,是提高光聚合材料服役质量和寿命的关键所在。本文首先介绍了材料聚合收缩与收缩应力产生和发展的机理;然后详细综述了国内外聚合收缩与收缩应力的测量方法,并重点介绍了集悬臂梁、近红外光谱和热电偶于一体的光聚合动态多参量耦合测试平台,利用该平台可以实现对聚合收缩、收缩应力和温度的简便一体化测量;最后对改善聚合收缩与收缩应力的测试方法进行展望,以便为相关的理论研究和实验设计提供参考。

摘要：同时采用共晶成分设计和晶粒细化的策略,通过异质结构调控提升SLM成形的Al-Fe系列合金的强韧性。结果表明,SLM成形AlFe_(5)合金呈现柱状粗晶和等轴细晶并存的组织结构,其中细晶的体积分数较低,整体显微结构未表现出明显的非均匀性;随着Zr元素的添加,SLM成形AlFe_(5)Zr_(1)合金中细晶体积分数增加,呈现粗、细晶交替分布的非均匀异质结构。同时,SLM成形AlFe_(5)和AlFe_(5)Zr_(1)合金在纳米尺度均呈现胞状结构特征。这种纳米级胞状结构、过饱和Fe元素及高位错密度主导的强化机制使得SLM成形Al-Fe-Zr系列合金的屈服强度达400 MPa,且异质结构可进一步提升AlFe_(5)Zr_(1)合金的应变强化能力,使其抗拉强度达450 MPa。原位断裂韧性测试结果表明,异质结构可促使裂纹在扩展过程中发生偏折和尖端钝化,从而增加裂纹扩展阻力,使AlFe_(5)Zr_(1)合金具有优异的断裂韧性。

摘要：锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。

摘要：基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识.波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行.本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型.在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动.基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系.结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量.应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.

摘要：介绍了一种简单、低成本且可靠的方法在非晶合金中预制理想裂纹并应用于小试样平面应变断裂韧性的测试.近年来,非晶合金由于高弹性、高强度、耐磨及软磁性等优异性能展示了广泛的应用前景.断裂韧性作为材料工程应用的一个重要指标,也引起了非晶合金领域的广泛关注.然而,由于非晶合金的亚稳态结构以及最大可铸造尺寸的限制,目前关于非晶合金断裂韧性的测试还存在较大的挑战.一方面,铸造工艺造成的非晶合金热历史的差异、内部微孔洞和杂质等缺陷以及裂纹预制方式等都会显著影响其断裂韧性测试的可靠性;另一方面,非晶合金可铸造尺寸的限制使得目前绝大多数报导的断裂韧性值都是非平面应变的断裂韧性,导致即使是对于同种非晶合金,所报导的断裂韧性值也存在较大偏差.本文利用非晶合金在过冷液相温度下具有可热塑性成型的特性,对预制有缺口的非晶合金试样进行局部压缩成型,使得预制的缺口裂纹重新闭合形成类似疲劳裂纹的理想裂纹面.基于该方法对Zr基非晶合金进行断裂韧性测试,实验结果表明,随着试样厚度的增加,测试值迅速降低并趋向于一个定值.需要指出的是,通过设计实验使得试样在理想裂纹面区域形成局部凹陷,使得趋于定值的试样厚度远小于平面应变断裂韧性测试标准中的试样厚度要求.

摘要：论文建立了珍珠母矿物质板相对滑移时表面矿物凸起相互攀爬摩擦的理论模型,得到了界面等效摩擦性能可以表示为两个无量纲参数的函数:凸起高宽比α=A/l、凸起高度与板厚度比β=A/D.理论预测与有限元模拟结果对比,两者符合良好,验证了理论模型的有效性.通过理论和计算分析,得到以下结论:(1)矿物质板表面凸起的存在对板间界面摩擦起到了显著的增强作用;(2)等效界面摩擦系数随α增大而增大,但与β无关;(3)α和β的提高均能提高界面等效剪切强度和摩擦耗能.该研究揭示了矿物质板表面凸起的微结构特征对界面摩擦耗能机制的影响规律,对于理解珍珠母贝壳等承力生物材料的界面增强增韧机理和指导相关仿生复合材料的设计有重要意义.

摘要：梁的弯曲变形是基础力学的核心内容之一,以往实验教学中的变形分析通常基于Euler-Bernoulli梁模型进行,而对工程中常见的Timoshenko梁涉及较少,这种变形模式的单一性和局限性教学无疑落后于当前力学学科人才培养的发展趋势。为了使本科生深入理解梁弯曲行为并掌握更为全面的实验技术,本文通过理论分析和模型优化,研发并搭建了一套可同时验证两种梁模型(即Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁)的高精度实验平台。通过位移校准和精确变形测量,验证了两种梁模型的精度和适用条件。实验发现,加载处的跨高比小于5时,实测值与Timoshenko梁的理论解非常吻合;加载处的跨高比大于5时,两种梁模型的差异可以忽略,Euler-Bernoulli梁模型可用于描述弯曲变形。基于该实验平台,编排设计了力学教学实验并进行了初步实践和评估,该课程阐明了剪切变形对梁弯曲变形的影响,使学生对梁模型的类型与相应假定的理解得到了加深;互动式教学和自主设计测量全方位提高了学生解决实际问题的能力。