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力學性能論文:碳纖維超低溫力學性能試驗方法簡述

【摘 要】 本文主要介紹碳纖維超低溫力學性能實驗所選用的原材料，即碳纖維增強環氧樹脂t700/tde-85 預浸料，及其它組成要素的特點；另外，本文著重介紹了在實驗環節涉及的實驗方法，例如：復合材料超低溫處理、復合材料微觀形貌觀察、復合材料拉伸強度測試等。

【關鍵詞】 碳纖維 低溫力學性能 材料性能試驗

碳纖維主要是由碳元素組成的一種纖維，其含碳量一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特質，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。

1 試驗材料

環氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環氧基團的有機化合物。環氧樹脂的分子結構是以分子鏈中含有活潑的環氧基團為其特征，環氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環狀結構。由于分子結構中含有活潑的環氧基團，使它們可與多種類型的固化劑發生交聯反應而形成不溶、不熔的具有三向網狀結構的高聚物

碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構樹脂基復合材料中較高。在強度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都具優勢。

正因如此，本文采用的試驗原材料是由碳纖維作為增強材料，以改性環氧樹脂作為基體組成的t700/tde-85預浸料，其纖維體積含量為58±2%。該預浸料性能優異，由其制備復合材料力學性能優良，且有較好的韌性，適用于超低溫下使用。

本項工作針對碳纖維增強環氧樹脂基復合材料進行研究，增強纖維型號為12k的t700碳纖維。

2 試驗材料

2.1 復合材料試樣切割

試驗采用syjh-200型手動快速切割機，本機適合各種復合材料、晶體、陶瓷、玻璃、巖石及金相試樣等材料的粗加工，該設備可使用金剛石鋸片、電鍍金剛石鋸片和樹脂鋸片，切割復合材料時采用的是電鍍金剛石鋸片。

2.2 復合材料超低溫處理方法

由于可重復使用復合材料超低溫液體燃料貯箱（包括液氧、液氮、液氫等燃料貯箱）在使用過程中，會長期貯存超低溫液體燃料，還會經常充卸超低溫液體燃料，即長期在超低溫環境及多次超低溫/室溫環境循環使用，因此，研究用于超低溫液體燃料貯箱的復合材料，就需要模擬超低溫液體燃料貯箱的使用工況，研究復合材料在超低溫環境中浸漬及超低溫/室溫循環的力學性能。

將制備好的碳纖維增強環氧樹脂復合材料在經過超低溫環境，即液氮中浸漬5天。其中，液氮使用真空罐盛裝。將實驗材料放入事先注入足量液氮的容器內，使其浸沒在液氮中，蓋緊容器蓋，密封好，記錄好開始實驗的時間。在隨后的5天內，每天均需要進行觀測，以保障液氮足量，保障復合材料始終處于超低溫環境中。

關于超低溫/室溫循環實驗，我們所用到的實驗裝置是步進機，該儀器可以按照預先設置的時間間隔，將一端拉伸的實驗樣本循環放入盛裝液氮的容器中，使得實驗材料完成浸入—離開--浸入—離開這一循環，直至達到預設次數（時間）。在這個試驗中，需要注意根據國家標準來確定樣本置于常溫中和置于液氮狀態中的時間，這樣的目的是為了使復合材料充分完成熱量傳導：在常溫和超低溫環境中，均能使得復合材料各個部分溫度達到統一。

這個實驗在實際應用中的工況體現在火箭中的液氧（液氫）貯箱。伴隨我國航天事業的發展，對于降低運載火箭發射成本成為非常有實際價值的問題。超低溫/室溫循環實驗的目的是為了檢驗復合材料在超低溫/室溫循環的狀態下，材料的力學性能變化。

2.3 復合材料微觀形貌研究方法

掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope），簡稱掃描電鏡（sem）。是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統，電子束系統以及成像系統。

在針對復合材料的微觀形貌的研究中，我們將對式樣在超低溫環境下浸漬5天后及超低溫/室溫循環100次后微觀形貌通過掃描電子顯微鏡觀察。通過文獻中的介紹，超低溫浸漬將會對復合材料（碳纖維增強材料和樹脂基材料界面間）產生微裂紋。該實驗的目的是為了分析這樣微觀變化對材料整體強度的影響。

2.4 復合材料超低溫拉伸強度測試方法

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測試使用的儀器為100kn電液伺服動靜試驗機。主機單元主要由負荷機架、伺服作動器、伺服閥、液壓夾頭、傳感器、以及橫梁等幾部分組成。儀器主要適用于金屬及非金屬材料的測試，如橡膠、塑料等；有色金屬金屬線材的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等多種試驗。

電液伺服試驗機較大工作載荷為±100kn，作動器行程為±50mm，函數發生器頻率為0.001～50hz，控制波形包括正弦波、三角波、方波、斜波、梯形波、組合波、外部輸入波等。試驗凈空間600mm×1500mm。該機能夠完成金屬材料、非金屬材料的拉伸、壓縮、斷裂試驗，可實現負荷、位移、變形三種閉環控制。控制系統為模擬控制和微機控制的綜合控制系統。

伺服拉力機主機的操作流程如下：

首先，操作計算機，使伺服作動器移動到中心“零”位。

再根據試驗要求選擇好位移量程。松開上、下夾頭，此時上、下夾頭按鈕上的指示燈滅，上、下夾頭均處于松開狀態，然后按橫梁上升（下降）按鈕，使橫梁到達兩夾頭之間距離為試件長度的1.5～2倍左右的位置，通過軟件調節，使伺服作動器中心位置為試驗所需位置。

調整完畢后，即可將試件一端送入上夾頭鉗口內，深約30mm～50mm（具體尺寸取決于試樣），按住“下降”按鈕，“下降”按鈕指示燈亮，橫梁向下移動，使試件另一端進入下夾頭鉗口內，深約30mm，此時應檢查一下電箱的設置是否正確，如正確則按下“上夾頭”、“下夾頭”按鈕，使上、下夾頭夾緊試件，此時上、下夾頭指示燈亮，即可進行試驗。

試驗結束后卸下試樣時，首先將控制狀態轉到“位移”方式，將負荷值調到零附近，松開下夾頭，然后將橫梁升起至適當的位置，再將試樣取下。關閉電源等。

3 結語

本文主要介紹了碳纖維增強環氧樹脂t700/tde-85預浸料組成要素的性質；另外，著重介紹了在實驗環節涉及的實驗方法、器材、工藝，對一般碳纖維超低溫力學性能試驗規程及其相關科研工作具有一定參考價值。

力學性能論文:關于凍區鹽漬土水熱耦合效應及對力學性能的影響

論文關鍵詞　鹽漬土　水份遷移　溫度場　水熱耦合　凍結強度

論文摘要　水份遷移和溫度場變化是引起路基凍脹融沉的直接因素。針對凍區高氯鹽漬土,經水熱場耦合作用后水份遷移和溫度場分布規律進行了室內動態試驗,研究了水熱耦合作用對力學性能的影響。結果表明:單向凍結過程中,水份向溫度較低的地方遷移,遷移量隨土體深度的增加而增加;水熱耦合作用后的土體凍結強度有不同程度上升,提升后的強度隨土體深度增加而降低,遠離凍區端因鹽晶析出導致土凍結強度有所回升。

土的凍結,引起水份向正凍區運動,并試圖以冰的形式充填這個區域。由于土體表面溫度的降低,未凍結之前的土體中的能量平衡被打破,除引起水分的遷移外,也引起土中溫度的重新分布[1]。在鹽漬土中,還伴隨產生土中鹽分的濃度梯度,同時鹽分也重新分布,從而導致空間全新的固、液、氣組合狀態。水熱耦合效應變化是凍土工程中引起凍脹融沉最重要的因素之一。

近30年來,國內外凍土學者從單一場影響因素的研究發展到水、熱兩方面的綜合統一研究,去認識凍脹機理。1973年, harlan r·l·提出了土體凍結過程中水-熱遷移耦合數學模型[2],從此進入多場耦合問題的研究階段。harlan ( 1973 )、sheppard(1978)[3]提出凍土中熱質遷移與水分遷移相互作用的流體動力學模型。苗天德等(1999 )[4], [5]在連續流體力學混合物理論框架下研究了凍土力學-熱學性質,建立起固、液兩相介質伴有相變的水、熱二場耦合模型。毛雪松[6]對室內小型試件進行了水分遷移過程的水分場和溫度場動態觀測,并應用水熱耦合模型對模型試件溫度場、水分場進行數值模擬。考慮到鹽漬土尤其是高氯鹽漬土土體本身的復雜性,本文通過室內動態試驗,分析高氯鹽漬土水熱耦合規律,并研究水熱變化對土體力學性能的影響。

1　試樣、試驗設備和試驗方法

(1)試樣取自青藏高原那曲河地區,該區地基土系由洪積、湖積和湖泊化學沉積的鹽層及超氯鹽漬土組成。土樣天然含水量為10·61 %,易溶鹽含量為12·01%,主要成分為氯化鈉和氯化鉀。顆粒分析結果如表1。

(2)試驗設備采用西南交大自行研制的封閉式單向凍結特性測試系統(見圖1、圖2),在土樣無破損的條件下,對土柱中的點位進行溫度和含水量的動態觀測。設備主要由三個系統組成:溫度、水份及變形檢測系統(溫度傳感器、水份傳感器和百分表等);環境溫度場建立系統(制冷壓縮機及控制系統);絕熱樣品室系統(尼龍試樣套管、聚氨酯泡沫絕熱層和石棉保溫套)。土柱高25 cm,直徑10 cm。

(3)取適量土樣,測其初始含水量(10·61% ),按干密度(1·79 g/cm3)分層裝入套管中,將加熱器安裝在試樣套管底部,緊固并確保其表面與試樣表面緊密結合;將溫度水份傳感器插入設定好的測試孔中,在試樣上表面敷一層保鮮膜,防止水分散失。接好加熱電源及各測試電纜后關閉模擬環境試驗箱蓋,調整好位移測量系統。開啟制冷系統及加熱器電源,調整制冷系統溫度和加熱器電源電壓以便得到研究所需的模擬環境溫度和溫度梯度。試驗時間為72小時,前12小時每1小時記錄一組數據,其后每3小時記錄數據一次。

2　試驗結果分析

試驗數據整理后見圖3、圖4。

圖3中,在0 mm (表面至下0 mm,后略)處為模擬環境溫度,除開始(0~2小時)由室溫轉變為模擬環境溫度外,其曲線一直保持平穩(-10℃左右); 50 mm、100 mm、150 mm和200 mm曲線趨勢大致相同,前12小時溫度下降趨勢較明顯,其后曲線較平穩,達到穩態;由表面至底端同一時刻溫度變化量逐步減小,說明試樣溫度梯度是隨深度增加而減小的。

圖4中,在25 mm處,含水量隨時間增加而增加, 12小時左右后,基本保持不變( 13·1 %~13·5% ),較初始含水量(10·61 % )升高23·47% ~27·24%;在75mm處開始階段(0~5小時)含水量有迅速下降趨勢,隨后(6~12小時)含水量逐步增加, 12小時后基本穩定(11·3 % ~11·6 % ),較初始含水量升高6·50 % ~9·33 %;在125 mm、175 mm和225 mm處曲線走勢比較接近,即開始階段(0~8小時)含水量逐步減少, 10小時左右后又稍微升高, 15小時后一直保持在9·6 % ~10·5 %之間,較初始含水量降低1·04% ~9·52%。

以上現象初析為:因外界環境溫度迅速下降,接近外界環境一端(土樣上表面附近)溫度變化要先于遠離外界環境端,試件會產生較大的溫度梯度從而破壞了土體中的水量平衡,使其水份場發生重新分布,水份從土樣的暖端向冷端遷移,進而土柱上層的含水量較凍結前有所提高,即為25mm和75mm二曲線所表現。除25 mm曲線外,其他曲線都有先降后升現象,初析為凍結初始階段土樣各層水份要向上遷移同時接受下層水份移入補給,由于水份遷移量與溫度梯度有關,隨梯度減小而減少[7], [8]。由圖3可知溫度梯度隨土樣深度增加而降低,從而導致某層土樣在初始時段或出現水份來不及補給的現象(75 mm曲線迅速下降),或遷移量大于補給量,含水量逐步減少的現象。當溫度場(見圖3) 12小時左右穩定后,水份場在15小時左右達到穩定。

3　水熱耦合效應對力學性能的影響

鹽漬土的三相與非鹽漬土不同,它的液相是鹽溶液,固相包括土顆粒和結晶鹽[9],凍區鹽漬土還會有冰晶產生,因此溫度場和水份場的變化鹽漬土的工程性質有不確定性。本文以凍結強度為指標,將試驗過后的土樣分層進行無側限抗壓強度試驗,研究水熱耦合效應對土樣力學性能的影響。

3·1　試驗方法

將水熱耦合試驗的土樣分為5層,匯集幾次平行試驗土樣,每層土樣放入保鮮袋中防止水份及鹽份散失;試樣為直徑40 mm、高80 mm的圓柱體,每層土樣的試樣套入保鮮膜并按相應環境溫度進行冷凍(見表2),時間24小時,同時另取水熱耦合前土樣,以作對比;試驗采用gb4540 -84應變控制式靜三軸剪切儀,將保溫瓶內制備好的試樣迅速放在加壓板上進行試驗。

3·2　試驗結果分析

試驗數據整理后見圖5。

從圖5看出,經水熱耦合作用后,土樣強度均有不同程度的提高(10·0% ~84·1% ),增加量隨土樣深度增加而減小,原因是由于凍結溫度對凍結強度影響較大,另外因水份遷移,土層上部含水量較大,會產生更多的冰晶,加強了土顆粒之間的聯結;土樣最底端強度有所回升(5層較4層提高18·2% ),原因初析:土樣為高氯鹽漬土,由于水份遷移會伴隨產生鹽晶的析出,土樣內部微觀結構發生變化,從而導致土強度增強[10]。

4　結語

(1)高氯鹽漬土在單向凍結條件下,產生的溫度梯度是隨土樣深度增加而減小。溫度梯度是水份遷移的重要原因,水份會向溫度降低的地方遷移,遷移量隨溫度梯度的增加而增加。

(2)高氯鹽漬土凍結后總體強度均有不同程度的提升(10% ~84% ),提升后的強度隨其深度增加而降低,其中在最底端因鹽晶析出導致土凍結強度有所回升。

(3)溫度場、水份場由瞬態轉向穩態時間并不一致,本次試驗分別為12、15小時。今后很有必要對此進行更深入研究,這對季節性凍區凍土工程的施工有著重要意義。

力學性能論文:人工砂粉煤灰混凝土力學性能研究

【摘　要】本文通過對比試驗研究了人工砂粉煤灰混凝土的主要力學性能，主要是水灰比、粉煤灰摻量和養護齡期對混凝土立方體抗壓強度的增長特征、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度和彈性模量等性能的影響。

【關鍵詞】人工砂粉煤灰混凝土；力學性能

0.前言

人工砂粉煤灰混凝土是用人工砂替代天然砂并且用粉煤灰部分替代水泥的新型混凝土。開發人工砂粉煤灰混凝土從局部上，因地制宜，就地取材，還可以避免季節及市場供給波動的影響，可以為建設單位節省大量建設資金；從整體上，即可為我國規模宏大的工程建設提供資源化的混凝土原材供應，拓寬了我國基礎行業可持續發展的空間，又可以大量消化工業廢料，發揮其綠色環保效應，促進人類與大自然的協調發展；從技術上，可以通過等效替代獲得與基準混凝土同等甚至優越的性能，可以通過單摻或雙摻等方法研制更廉價更高性能的混凝土材料。

人工砂粉煤灰混凝土與普通混凝土的主要區別就是細集料不同和粉煤灰摻入的協同作用。細骨料的粒形、級配、表面特性、石粉等物理特性會顯著影響混凝土內部過渡區的特征；而粉煤灰會發揮不同程度的形態效應、微集料效應和活性效應，從而極大地影響混凝土的綜合特性，所以研究人工砂粉煤灰混凝土的力學性能是必要的，本文主要從宏觀的角度來研究水灰比、粉煤灰摻量和齡期對各項力學性能的影響。

1.立方體抗壓強度

本試驗研究人工砂粉煤灰混凝土的立方體抗壓性能，目的是為了得出常用粉煤灰摻量和水灰比對各齡期強度的影響規律，以及與基準混凝土的對比。減水劑取常用量，為膠凝材料用量的1％，新拌混凝土假定容重為2400kg/m3，將粉煤灰摻量取0％、20％、40％三個水平，水灰比變化考慮0.3（高強）、0.4（中強）、0.5（低強）三個等級，立方體抗壓強度測試齡期分別為1.5d、3d、7d、14d、28d、46d、56d、90d，試驗配合比方案見表1：

按照上表中的配合比進行試驗可得表2：

上表中的試驗結果，顯示出了通過雙摻配制的人工砂粉煤灰混凝土的立方體抗壓強度的變化規律，我們將1.5天至14天齡期的強度稱之為早期強度，將28天至90天之間的強度中期強度，則可以得到以下結論：

1、水灰比對混凝土強度的影響（見下圖）

可以看出，直接根據實測的數據做散點圖，由于試驗誤差的作用，所得強度發展曲線并不十分平滑，但從強度隨齡期發展的趨勢可以看出：

（1）水膠比越小，則混凝土各齡期強度越大。對于未摻粉煤灰的基準混凝土來說，雖然水灰比不同，但各齡期強度的增長函數從形態上來說基本相似，可見人工砂混凝土各齡期強度可由齡期表示。而且，人工砂混凝土由于減水劑的作用，早期強度增長地很快，3天強度即達28天強度的57％～75％，7天強度可達28天強度的80％以上，但是28天以后的增長速度明顯放慢，到46天時僅增長了2％～5％。而且，水膠比較小時，其3天強度增長較快，水灰比從0.3到0.5的r3/r28分別是75％、71％、57％，但7天強度增長速度向差不多，r7/r28分別是83％、79.5％、77％。

（2）隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土的3天、7天強度明顯比基準混凝土降低，粉煤灰摻量20％時，3天強度平均下降了13％，7天強度平均下降了8.4％，28天強度達到或接近基準混凝土的強度，56天強度基本上達到或超過基準混凝土的28天強度。對于粉煤灰摻量為40％時，各齡期強度降低較多，3天強度平均下降了41％，7天強度平均下降37％，28天時強度平均下降了28％，可見強度的增長速度超過了基準混凝土，但28天強度仍然降低很多。

由此可見，雖然可以通過雙摻法提高人工砂粉煤灰混凝土的早期強度，但如果粉煤灰等量取代水泥率較大（40％左右），強度降低也是很明顯的。不過隨著齡期的增長，粉煤灰混凝土的后期強度有趕上基準混凝土的趨勢，如果粉煤灰摻量不大（20％左右），甚至會超過基準混凝土。這為我們設計人工砂粉煤灰混凝土的配和比提供了一種觀念：如果設計大摻量的人工砂粉煤灰混凝土，即使摻加減水劑也很難讓混凝土的28天強度與基準混凝土等效，這時應該考慮將混凝土的設計齡期延長；如果設計中等摻量的粉煤灰混凝土，摻減水劑是個提高強度很有效的方法，或者通過超量取代粉煤灰來設計配合比，都是可能達到28天強度等效的。

2.劈裂抗拉強度

根據《混凝土力學

能試驗方法》采用劈裂抗拉試驗進行人工砂粉煤灰混凝土的抗拉性能試驗，采用150mm*150mm*150mm的立方體作為標準試件，制作標準試件的較大粒徑不大于40mm，本試驗滿足要求。

試驗用配合比與立方體抗壓試驗的相同，試驗結果列于表3。

說明：上表中fts7為7天劈拉強度，　fcu7為7天抗壓強度，fts28為28天劈拉強度，　fcu28為28天抗壓強度，單位均為mpa。試驗編號pl-x對應著立方體抗壓試驗中的ky-x。

可見，從上表中我們可以得到以下結論：

（1）對于立方體抗壓強度從c20-c50的范圍內，人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗拉強度和立方體抗壓強度之比大致在1/10到1/14之間，與普通混凝土相當。其中，根據粉煤灰摻量的不同同強度等級下的拉壓比也有所不同，見表4和表5。

如果用式來預測28天劈裂抗拉強度的話，那么當混凝土強度在c30到c50之間時，k值應該取0.19-0.22之間，其平均取值為0.207。

當混凝土強度在c25到c40之間時，k值應該取0.22-0.23之間，其平均取值為0.227。

由k值的取值范圍可以看出，人工砂粉煤灰混凝土在立方體抗壓強度一樣時，粉煤灰摻量增加可能會提高混凝土的劈裂抗拉強度。

（2）對于人工砂粉煤灰混凝土劈裂抗拉強度隨時間的變化，盡管28天劈裂抗拉強度值在7天劈裂值的基礎上有所增長，但顯然沒有抗壓值增長的快，同一配比7天時的拉壓比要比28天時大。所以，同普通混凝土一樣，人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗壓強度在早期增長較快，后期增長較慢。

由此可以看出，人工砂粉煤灰混凝土由于粉煤灰的摻入，拉壓比相比普通混凝土有所提高，抗拉性能可以得到改善，延性得以提高。

3.軸心抗壓強度

根據《混凝土力學性能標準試驗方法》進行，使用100mm*100mm*300mm試件，軸心抗壓試驗結果列于表6。

注：表6中fc7代表7天軸心抗壓強度；fcu7代表7天150mm*150mm*150mm試件抗壓強度；f’cu7=　fcu7/0.95，代表由150mm*150mm*150mm抗壓強度換算而成的100mm*100mm*100mm7天抗壓值；fc28代表28天軸心抗壓強度，fcu28代表28天150mm*150mm*150mm試件抗壓強度；f’cu28=　fcu28/0.95，代表150mm*　150mm*150mm抗壓強度換算而成的100mm*100mm*100mm28天抗壓值；試驗編號zy-x對應著立方體抗壓試驗中的ky-x。

雖然不管是7天還是28天的軸心抗壓值都比較離散，試驗并沒有反映出粉煤灰摻量對軸心抗壓影響的規律，但可以看出，人工砂粉煤灰混凝土的軸心抗壓值與立方體抗壓值之比基本在0.70上下浮動，大致在0.6-0.76之間，這也與普通混凝土相當。

4.彈性模量

用100mm*100mm*300mm試件做人工砂粉煤灰混凝土的彈性模量試驗，試驗結果見表7。

注：表7中e/f的數量級為1×104。試驗編號zy-x的配合比對應著立方體抗壓試驗中的ky-x。

可見，與普通混凝土相比，同等強度下人工砂粉煤灰混凝土的彈性模量較大；彈性模量值隨著粉煤灰摻量的增加而略有減小；28天的彈性模量值比7天值略高；但是彈模與抗壓強度比值隨著齡期增長而降低，這是因為彈模主要跟骨料強度、水泥漿基體強度有關，與養護時間關系不很大。

5.結論

本文通過試驗研究了人工砂粉煤灰混凝土在水灰比和粉煤灰摻量變化影響下的主要力學性能。水灰比、齡期和粉煤灰替代水泥率對混凝土的力學性能都有較大影響，猶應注意當粉煤灰摻量過高時，混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性膜量都會顯著降低。人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之比、軸心抗壓強度與立方體抗壓強度之比與普通混凝土類似，但彈性膜量要比普通混凝土略高。

力學性能論文:鋼渣粉混凝土力學性能研究

【摘要】本文進行了鋼渣粉混凝土的抗壓、抗折強度試驗，研究了摻入鋼渣粉含量不同的鋼渣粉混凝土的抗壓、抗折強度。結合試驗數據分析得出：當摻入量為0% 到10%時抗折抗壓強度呈明顯的上升趨勢，當摻入量為10%到30%的時抗折抗壓強度卻呈下降趨勢，但也能滿足強度要求。

【關鍵詞】鋼渣粉；混凝土；抗壓強度；抗折強度

1.引言

鋼渣粉屬于工業生產中的副產物，是不可避免的，我國鋼鐵產業每年排放大量的固體廢渣，其中鋼渣粉的排放量達到3000 多萬噸，鋼渣粉的資源化循環利用課題越來越受到重視，所以對其進行回收再利用是好的的處理方法。鋼渣粉經過磨細加工處理后用于水泥混凝土中可以提高混凝土的工作性、力學性能和耐久性能等，這些正是路用混凝土需要的性能。利用工業廢棄物來改善混凝土性能，達到變廢為寶，綠色環保的效果。

2. 試驗研究

2.1試驗用原材料。

（1）水泥：中聯p.0 42.5r硅酸鹽水泥。

（2）粗細集料：細度模數為2.45的天然中砂，5～20mm連續級配的碎石。

（3）鋼渣粉：ρ gz=2.83 g/cm3（哈爾濱鋼渣粉水泥廠）。

（4）水：自來水。

2.2試驗方法。建筑用砂gb/t14684-2001，建筑用碎石gb/t14685-2001，水泥gb175-2007，混凝土中的鋼渣yb/t022。不同粉煤灰摻量混凝土分別做18個試件，分為兩組，一組養護7天，另一組養護28天，每組各有3個抗壓試件（150×150×150mm）和3個抗折試件（100×100×400mm）。

3. 試驗配合比設計與試驗結果

本試驗采用等量取代法進行試驗，取水膠比為0.5，鋼渣粉摻量分別為0、10%、20%、30%、40%、50%。試驗試驗結果見表1和表2。

4. 試驗結果分析

（1）7d齡期時，摻量為10%的鋼渣粉混凝土抗壓強度有很大程度的上升，當摻量分別為20%，30%和40%時的鋼渣粉混凝土的抗壓強度有一定程度的下降，基本上呈線性降低。當摻量為50%時的鋼渣粉混凝土的抗壓強度有一個突變，會降的比較多。摻量為10%的鋼渣粉混凝土抗折強度有很大程度的上升，當摻量分別為20%，30%和40%時的鋼渣粉混凝土的抗折強度有一定程度的下降，基本上呈線性降低，不過摻20%和30%時仍然比普通的混凝土高，摻量為40%時比普通的混凝土抗折強度低。當摻量為50%的粉煤灰混凝土有很大程度下降，相對與其他摻量值的強度比較小。

（2）28d齡期時，摻量為10%的鋼渣粉混凝土抗壓強度有很大程度的上升，當摻量分別為20%，30%和40%時的鋼渣粉混凝土的抗壓強度有一定程度的下降，基本上呈線性降低。當摻量為50%時的鋼渣粉混凝土的抗壓強度有一個突變，下降較多。摻量為10%的鋼渣粉混凝土抗折強度有很大程度的上升，當摻量分別為20%，30%和40%時的鋼渣粉混凝土的抗折強度有一定程度的下降，基本上呈線性降低，不過摻20%和30%時依舊比普通的混凝土高，摻量為40%時比普通的混凝土抗折強度低，但是當摻量為50%的鋼渣粉混凝土抗折強度有很大程度下降，相對與其他摻量值的強度比較小。

5. 結論

由以上分析結果我們可以看出，混凝土的抗壓強度和抗折強度都隨著鋼渣粉摻量的增加，而逐漸的下降，但是鋼渣粉摻量在10%以后對混凝土的抗折強度影響逐漸減小，并且會在50%之后出現突變。

力學性能論文:汽車動力學性能的計算機仿真探究

【摘要】每一批汽車在投入市場前，必須對所有車輛的動力性能進行檢測，這是對汽車用戶用車安全的負責，也是制造商制造工作的職業道德。和汽車車檢系統一樣，目前針對汽車動力性能的檢測，主要以計算機仿真模擬檢測方式最為先進。本文以汽車動力性能的概念介紹入手，解釋了汽車動力性能計算機仿真檢測系統的工作原理，提出優勢和展望。希望能對相關人員有所啟發。

【關鍵詞】汽車動力學；計算機仿真；研究

引言

汽車本身就是一種動力工具。一輛汽車的好壞，更多取決于該車的動力性。檢測汽車的動力性，不可能將車開上公路檢測，同一批出廠的汽車數量也不允許使用這種檢測方式。早在20世紀50年代，西方先進國家就發明了汽車動力性能仿真檢測模型，70年代借助工程學的知識，提出了系統的檢測方法論。但是傳統的檢測方法，必須要等到一批汽車生產出來后，才能選用實體樣本檢測。簡而言之，就是抽查。實際上還是采用使用汽車的檢測辦法，只不過檢測地點是在汽車建造工廠內部而不是實際行駛公路。新型的計算機仿真技術，并不需要等到汽車實體制造出來才能進行檢測。因為計算機檢測，是在建立了特定的檢測程序基礎上，通過錄入汽車各種組件的具體數值，在電腦上建立汽車模型。然后利用虛擬現實技術，讓一堆數據組成的虛擬的“數字車”，在同樣是電腦模擬出的虛擬行駛環境下，完成動力系統的檢測，其實質就是一種計算機模擬程序。檢測工作的重點是計算機虛擬檢測環境的建構。

1汽車動力性能的內容

汽車動能簡而言之就是汽車作為動力工具的使用效果，也是判斷一輛汽車市值的重要參考標準。汽車動力性能組成內容如下：1.1較高車速較高車速，是在水平地面行駛的狀態下，汽車能達到的行駛速度的較大值。該數值僅僅代表了汽車的行駛極限，并不能說明汽車本身的質量好壞。因為我們實際的生活場景，并不是電影《速度與激情》中描繪的頻頻飆車，汽車的較高車速一般是用不到的。1.2加速性能加速性能，一般按照歐美國家的評價標準來檢測。汽車的加速性能，和汽車加速行駛的距離以及行駛耗時有關，一般情況下，同樣的加速距離，所用時間越短，說明汽車的加速性能更好。但是因為實際使用中汽車的加速情況復雜多變，所以汽車加速性能的檢測分為多種形式。油門全開時的加速情況以及油門半開狀態下的加速情況是不同的，并且汽車的行駛速度處于何種檔位也會對加速效果產生影響。1.3爬坡性能爬坡性能也是汽車動能的檢測內容之一。在汽車承載力處于飽和狀態的情況下，測試汽車能行駛過去的較大坡度。此時汽車的行駛速度一般以一檔為標準。和汽車的加速性能一樣，爬坡性能也和發動機質量，汽車輪胎的摩擦度以及駕駛員自身的駕駛技術有關，所以檢測程序較為復雜。上述三種性能是汽車動力性能主要的檢測項目。但是檢測標準并不一定，隨汽車品牌、用途、發動機型號、汽車車身質量變化而改變具體參考標準。例如軍用越野車，其對于爬坡性能的要求特別高，但是對于加速性能，就會相對低一點。利用計算機仿真系統能夠在汽車模型設計出來之后就進行檢測，檢測不合格可以繼續修改。避免了傳統檢測方式中，會出現生產了一批汽車但是由于檢測不合格造成資源浪費的情況。

2仿真軟件系統設計

目前國內的計算機檢測汽車動力性能的仿真系統，主要借助M語言和Simulink模塊建立。利用汽車發動機相關的數學模型，加入一定的檢測程序代碼，設計出實用的仿真系統。

2.1檢測系統內容

仿真系統包括四部分。①輸入汽車各種參數，從而建立一個仿真的電子汽車模型的部分。②計算機檢測系統設定的具體的檢測標準數值，檢測單元包括較高車速，加速項目以及爬坡性能三個單元，根據不同的車型不同的發動機標準，這三個標準數值會做相應改變。③汽車行駛環境的模擬部分，包括發動，加速，爬坡三種具體的行駛動態的承載環境，這種環境能夠代表汽車在具體行駛中會遇到的實地環境，即“虛擬行駛環境”。④針對模擬汽車在模擬環境中行駛狀態的分析部分，這個部分借助于強大的算法結構，是計算機仿真檢測系統最主要設計復雜度較高的部分。

2.2系統設計原則和要求

仿真系統設計的原則有以下幾點。①高度還原汽車實地行駛環境，“虛擬環境”之所以具有真實行駛環境的代表性，就是因為其與真實的行駛環境在坡度、風速、地表等方面相差無幾，是對真實環境“鏡子”式的反映。②在具體單元中，應當涵蓋多種行駛可能，例如，實際使用中汽車的加速情況復雜多變，油門全開時的加速情況以及油門半開狀態下的加速情況是不同的，并且汽車的行駛速度處于何種檔位也會對加速效果產生影響。所以汽車加速性能檢測單元，應當具體細分為不同的加速情況。將行駛中可能出現的各種情況，反映到計算機仿真模型系統中，才能使檢測結果更加接近實地操作結果，更具說服力。③檢測人員，必須具備良好的職業道德，能夠認真細致地完成檢測工作。目前的汽車行業發展的如火如荼，一批汽車的生產量會多達萬輛，如果生產前的檢測結果有失誤，那么造成的資源浪費會是傳統檢測失誤的數萬倍。并且動力性能不過關的汽車流入市場后，產生的危害是不可估計的。汽車動力性能計算機仿真檢測系統，雖然比傳統的檢測技術先進，但是也背負了更多的風險和責任。

3汽車動力性能計算機仿真檢測的優勢

（1）計算機新型的計算機仿真技術，并不需要等到汽車實體制造出來才能進行檢測，這是計算機仿真檢測系統和傳統汽車動力性能檢測方式的較大區別也是較大優勢。對汽車模型的檢測，由于借助了強大的計算機檢測算法，檢測人員只需要在檢測程序中輸入汽車各部分組件的具體數值即可，計算機能自動計算出該款汽車在不同路況下的動力性能的表現。省去了傳統檢測中人力手動模擬各種路況的麻煩，節約了檢測時間的同時，也避免了傳統檢測有可能出現的人身安全問題。（2）節約汽車制造資源。傳統的檢測方法，必須要等到一批汽車生產出來后，才能選用實體樣本檢測。生產汽車檢測樣本肯定不會只生產一輛，如果實體汽車檢測樣本合格，那么等待這批汽車樣品的只能是廢物回收的命運。汽車組件可以被回收，但是生產汽車檢測樣品所花費的人力物力財力，卻是白白浪費。（3）在電子信息技術發展的大社會背景下，人力必然要被機器取代。信息化、智能化是當今社會發展不可更改的方向。建立汽車動能計算機仿真系統，只是機器取代人力的滾滾浪潮中一朵小小的浪花。

4對汽車動能計算機仿真系統未來發展的展望

計算機仿真系統的實質，依然是借助于龐大的計算機運算能力的一種特殊程序，難以再現實際生活中的汽車行駛過程，所以并不能百分百代表汽車實際使用過程中的動力性能。筆者對此提出幾點展望，希望能對該系統開發人員有所啟發。（1）完善現有的仿真系統，加入更多的模擬行駛場景，并在具體場景中對坡度，馬力、地表形態、汽車發動機性能、燃油效率等具體指標拆分組合，建立強大的虛擬現實系統。（2）將動能仿真系統和汽車的導航系統相結合，在每一輛汽車的制造中，就加入計算機動能仿真系統。設想一個場景，野外行駛中，駕駛人不確定汽車能否順利通過眼前的高坡，在冒險和人身安全之間猶豫時，可以啟動計算機動能仿真系統，在汽車顯示儀上實時模擬出爬坡的場景。從而使司機對接下來的具體行駛情況有所了解，提前做好應對措施。

5結束語

目前我國并沒有成熟的自我研發的汽車動力性能計算機仿真檢測系統。希望中國該行業的技術人員能夠學習西方先進技術，嚴格按照汽車動力性能檢測要求，研發出中國的更安全的汽車動能計算機仿真檢測系統。

力學性能論文:工程力學性能課改分析

一、“工程材料力學性能”課程特點及教學現狀

1“.工程材料力學性能”課程特點

材料的力學性能是指材料在外加載荷作用下或外加載荷與環境因素共同作用下所表現出來的力學行為與機理，是各類材料在實際應用中必須涉及的共性問題。[1]“工程材料力學性能”課程最早是“金屬材料力學性能”，后來改名為“材料力學性能”，現在部分教材又改名為“工程材料力學性能”，是許多工程類本科生重要的專業基礎課，其教學效果好壞對學生能否打下一個良好的專業基礎起著重要的作用。該課程內容涉及面廣、工程應用背景強，在材料科學與工程、土木工程、機械工程等專業領域有著重要的應用。本課程的學習，對提高工程類專業學生整體素質及工程實踐能力起著至關重要的作用，使得學生能夠從各種機器零件或構件在常溫、高溫以及腐蝕環境的服役條件下的失效現象出發，了解失效現象的機理，從而為他們畢業后從事材料的檢測和性能評定、材料的正確選用和安全應用，以及對機械零件的失效分析等工作奠定良好的基礎，為企業乃至國民經濟的發展提供有力的后備軍。

2“.工程材料力學性能”課程教學現狀

安徽工業大學（以下簡稱“我校”）材料學院共分金屬材料工程、材料成型及控制、無機非金屬材料、材料物理四個本科專業，目前，四個專業使用的《工程材料力學性能》是合肥工業大學主編的同一本教材，該教材的內容包含金屬材料的力學性能和新型材料的力學性能兩大部分，側重點是金屬材料的力學性能部分，主要包含“高分子材料的力學性能”、“陶瓷材料的力學性能”和“復合材料的力學性能”三章的內容。[2]金屬材料力學性能的研究時間較長，主要的原理、定律和結論已比較成熟，新型材料力學性能的內容相對較少，它的研究主要借鑒于金屬材料力學性能的研究經驗和方法。本教材比較適合金屬材料工程、材料成型及控制兩個專業的學生，對其他專業的學生則顯得內容相對較少，不太適合。而且，本課程的內容多、涉及面廣，課程學時有限，書中許多抽象的內容很難通過語言的表述來講清楚，在課堂上教師生硬的照本宣科會使學生感到枯燥乏味，課堂的氣氛很難被充分地調動起來，教學效果不佳。針對目前的教學現狀，如果不對課程的教學進行改革，授課教師很難在有限的學時內保質保量地完成本課程的教學任務。筆者在“工程材料力學性能”課程的教學實踐中體會到：授課教師需要根據專業特點來組織教學內容，才能在規定的學時內完成課程的教學任務。根據專業特點來組織教學內容，使得學生學習和教師授課的側重點都突出，學生能在有限的學時內提煉出與專業學習有密切聯系的知識，加以掌握和應用。[3]本課程的教學目標是使學生能運用所學的理論知識分析材料實際的使用情況，對材料的失效現象的機理進行分析。

二、依據材料物理專業特點，優化教學內容

在“工程材料力學性能”課程教學實踐中，筆者結合材料物理專業特點，在保障課程基本內容和結構的前提下，對整本教材進行整合，提煉出一般了解和必須掌握的內容，使學生能在規定的學時內有效地掌握最基本的教學內容。[3]近年來，隨著科學技術的發展，材料的種類越來越多，新型材料應用日新月異，納米材料、薄膜材料和微機電材料快速發展，材料的特征尺寸越來越小，傳統的材料力學性能測試手段已無法實施，微區材料的力學性能測試手段應運而生。新材料力學性能測試的標準不斷頒布，已有材料的國內標準需與國際標準接軌而不斷修改，迫切需要材料力學性能的教學與生產力發展水平一致。鑒于以上幾個方面內容，該課程講授內容主要從以下四個部分來展開：及時部分（及時至第四章）闡述材料在一次加載條件下的形變和斷裂過程，所測定的力學性能指標用于評價零件在服役過程中抗過載失效的能力或安全性；第二部分（第五至第八章）論述疲勞、蠕變、磨損和環境效應四種常見的與時間相關的失效形式，材料對這四種形式失效的抗力將決定零件的壽命；第三部分（第九至第十一章）（納米材料/復合納米材料）依據材料物理專業的特點，重點講解納米材料的力學性能，這其中包括納米金屬材料的力學性能、納米非金屬材料的力學性能、碳納米材料的力學性能、納米復合材料的力學性能等；第四部分實驗教學中引入國家標準的學習。

三、優化教學方法與手段，鍛煉學生能力

任何教學過程的開展都離不開一定的方式或方法。傳統的教學方法是以教師講授為主，學生處于被動的接受地位。教學方法的優化倡導以學生為主，強調學生是學習的主人，培養他們自己查閱資料，自己釋疑，自己總結，最終具備自我學習的能力。[4]在這個過程中，教師要充分發揮引導作用，充分調動學生的積極主動性。下面以“納米材料的力學性能”為例來說明教學方法的優化，筆者采用“三步式”教學方法，取得了良好的教學效果。及時步：教師指導學生上網查閱“納米發動機”的相關資料，并就“納米發動機”的提出、原理及當前的發展現狀寫一篇綜述性報告，在下一堂課讓學生講解；第二步：根據自己的備課內容及結合自身的科研經歷，進一步給學生講解“納米發動機”相關材料的制備方法及工藝技術特點；第三步：學生根據教師授課內容和自己查閱的相關資料，完善自己的綜述報告。“三步式”教學法組織實施教學，不但可以提高學生學習本門課程的積極性，使學生掌握的知識更加牢固，而且有利于拓展學生的視野，培養了學生的科研興趣，進一步增強了學生自我獲取知識的能力。教學手段是指教師用以運載知識、傳遞教學信息的物質媒體或物質條件，是現代的教師進行教學活動必不可少的輔助用具。隨著計算機應用技術的普及，學校和教師越來越關注用計算機網絡技術來提高教學效率和教學質量。[4]“工程材料力學性能”課程特點是內容多、知識點零散、概念定義多，書中許多抽象的內容很難通過語言的表述來講清楚，理解起來相對困難。教師在教學過程中運用現代多媒體教學手段，自己動手制作多媒體課件，針對專業特點選擇教學內容和教學方法；另外，通過演示一些動畫圖片和視頻，使得原來抽象的、枯燥的知識形象化，使學生易于理解和掌握，同時還增大了教學信息量，在有限的學時內給學生盡可能多地傳達了信息量。

四、優化實驗教學，培養學生的創新能力

工科專業的實驗教學是理論聯系實際的重要環節，與課程體系、學科結構和教學改革等有著密切的關系，對培養大學生的工程意識和創新思維，以及動手能力和分析解決問題能力具有十分重要的意義。我校“工程材料力學性能”課程基本實驗包括碳鋼靜拉伸，不同成分、熱處理工藝對鋼材力學性能的影響，金屬的沖擊韌性，金屬的硬度，金屬材料平面應變斷裂韌性KIC的測定五個實驗。這些實驗比較適合金屬材料、材料加工專業的學生，對于材料物理專業的學生來說，難以感受本專業特點。[2]因此，結合不同的專業特點，將“工程材料力學性能”課程的實驗內容涵蓋多個專業，分為必修、選修兩部分。優化后的實驗內容，不但可以增強學生的動手能力，還可以使不同專業的學生加深對自身專業的理解。比如，針對材料物理專業的本科生，可以開設納米材料力學性能測試綜合選修實驗課。筆者結合自身的科研內容，制備一系列的納米線及納米薄膜材料，同時，材料科學與工程學院新引進的AgilentG200納米壓痕儀，可用來測量納米材料的硬度、模量、應力—應變曲線等傳統力學儀器不能測量的納米材料的力學性能。該試驗的開設，既使學生鞏固了前期所修的“工程材料力學性能”課程，提高學生綜合運用知識的能力，又拓寬了學生的視野，對納米材料的力學性能有了更深層次的理解，為其后續的工作和科研奠定了良好的理論和實踐基礎。材料力學性能實驗方法大都有國家標準，在實驗教學過程中，教師除了傳授最基本的操作方法外，還指導學生如何查找相關標準，對標準進行閱讀，引導學生根據標準文件設計、實施相關實驗，使實驗操作真正做到有據可依，以期培養學生的工程規范意識。另外，針對教材標準滯后實際標準的現象，還介紹目前國內外近期標準，以其讓學生了解近期的測試標準技術信息，同時還使學生對相關測試技術的發展有完整的認識，這對于他們將來的事業發展是非常有利的。[5]

五、優化考核方法，評價學生素質

傳統的一張試卷定終身的考試形式早已不能滿足現代素質教育、創新教育的需要。對此，老師采取了綜合考核方法，從終結性教學評價模式向形成性教學評價方式轉變。[6]綜合考核方法中除了學生的期末筆試成績外，還包括課堂提問、課后作業、實驗成績、小論文等多種評價手段。新的考核方式既鍛煉了學生自主創新、知識綜合運用的能力，又培養了學生查閱分析信息資料、收集分析數據和撰寫科技論文的能力。此外，為了提高學生綜合運用知識的能力，卷面考試有必要增加一些主觀題。比如筆者在出考卷時，增加了一道綜合應用題，內容是結合具體技術和方法，論述材料磨損的控制和防磨措施，從而要求學生將材料磨損的相關知識融會貫通，靈活運用。通過考核方式的改革，學生學習的積極性和主動性都大大提高。上述幾個方面的改革探索，使學生能有效地掌握本門課程的知識，為后續課程和科研工作奠定良好的理論基礎，同時為大學畢業生在將來實際工程中正確地選擇和使用材料、改進材料性能以及分析材料失效行為等問題打下堅實的基礎。

力學性能論文:工程材料力學性能教育革新

一、“工程材料力學性能”課程特點及教學現狀

1“.工程材料力學性能”課程特點材料的力學性能是指材料在外加載荷作用下或外加載荷與環境因素共同作用下所表現出來的力學行為與機理，是各類材料在實際應用中必須涉及的共性問題。[1]“工程材料力學性能”課程最早是“金屬材料力學性能”，后來改名為“材料力學性能”，現在部分教材又改名為“工程材料力學性能”，是許多工程類本科生重要的專業基礎課，其教學效果好壞對學生能否打下一個良好的專業基礎起著重要的作用。該課程內容涉及面廣、工程應用背景強，在材料科學與工程、土木工程、機械工程等專業領域有著重要的應用。本課程的學習，對提高工程類專業學生整體素質及工程實踐能力起著至關重要的作用，使得學生能夠從各種機器零件或構件在常溫、高溫以及腐蝕環境的服役條件下的失效現象出發，了解失效現象的機理，從而為他們畢業后從事材料的檢測和性能評定、材料的正確選用和安全應用，以及對機械零件的失效分析等工作奠定良好的基礎，為企業乃至國民經濟的發展提供有力的后備軍。

2“.工程材料力學性能”課程教學現狀安徽工業大學（以下簡稱“我校”）材料學院共分金屬材料工程、材料成型及控制、無機非金屬材料、材料物理四個本科專業，目前，四個專業使用的《工程材料力學性能》是合肥工業大學主編的同一本教材，該教材的內容包含金屬材料的力學性能和新型材料的力學性能兩大部分，側重點是金屬材料的力學性能部分，主要包含“高分子材料的力學性能”、“陶瓷材料的力學性能”和“復合材料的力學性能”三章的內容。[2]金屬材料力學性能的研究時間較長，主要的原理、定律和結論已比較成熟，新型材料力學性能的內容相對較少，它的研究主要借鑒于金屬材料力學性能的研究經驗和方法。本教材比較適合金屬材料工程、材料成型及控制兩個專業的學生，對其他專業的學生則顯得內容相對較少，不太適合。而且，本課程的內容多、涉及面廣，課程學時有限，書中許多抽象的內容很難通過語言的表述來講清楚，在課堂上教師生硬的照本宣科會使學生感到枯燥乏味，課堂的氣氛很難被充分地調動起來，教學效果不佳。針對目前的教學現狀，如果不對課程的教學進行改革，授課教師很難在有限的學時內保質保量地完成本課程的教學任務。筆者在“工程材料力學性能”課程的教學實踐中體會到：授課教師需要根據專業特點來組織教學內容，才能在規定的學時內完成課程的教學任務。根據專業特點來組織教學內容，使得學生學習和教師授課的側重點都突出，學生能在有限的學時內提煉出與專業學習有密切聯系的知識，加以掌握和應用。[3]本課程的教學目標是使學生能運用所學的理論知識分析材料實際的使用情況，對材料的失效現象的機理進行分析。

二、依據材料物理專業特點，優化教學內容

在“工程材料力學性能”課程教學實踐中，筆者結合材料物理專業特點，在保障課程基本內容和結構的前提下，對整本教材進行整合，提煉出一般了解和必須掌握的內容，使學生能在規定的學時內有效地掌握最基本的教學內容。[3]近年來，隨著科學技術的發展，材料的種類越來越多，新型材料應用日新月異，納米材料、薄膜材料和微機電材料快速發展，材料的特征尺寸越來越小，傳統的材料力學性能測試手段已無法實施，微區材料的力學性能測試手段應運而生。新材料力學性能測試的標準不斷頒布，已有材料的國內標準需與國際標準接軌而不斷修改，迫切需要材料力學性能的教學與生產力發展水平一致。鑒于以上幾個方面內容，該課程講授內容主要從以下四個部分來展開：及時部分（及時至第四章）闡述材料在一次加載條件下的形變和斷裂過程，所測定的力學性能指標用于評價零件在服役過程中抗過載失效的能力或安全性；第二部分（第五至第八章）論述疲勞、蠕變、磨損和環境效應四種常見的與時間相關的失效形式，材料對這四種形式失效的抗力將決定零件的壽命；第三部分（第九至第十一章）（納米材料/復合納米材料）依據材料物理專業的特點，重點講解納米材料的力學性能，這其中包括納米金屬材料的力學性能、納米非金屬材料的力學性能、碳納米材料的力學性能、納米復合材料的力學性能等；第四部分實驗教學中引入國家標準的學習。

三、優化教學方法與手段，鍛煉學生能力

任何教學過程的開展都離不開一定的方式或方法。傳統的教學方法是以教師講授為主，學生處于被動的接受地位。教學方法的優化倡導以學生為主，強調學生是學習的主人，培養他們自己查閱資料，自己釋疑，自己總結，最終具備自我學習的能力。[4]在這個過程中，教師要充分發揮引導作用，充分調動學生的積極主動性。下面以“納米材料的力學性能”為例來說明教學方法的優化，筆者采用“三步式”教學方法，取得了良好的教學效果。及時步：教師指導學生上網查閱“納米發動機”的相關資料，并就“納米發動機”的提出、原理及當前的發展現狀寫一篇綜述性報告，在下一堂課讓學生講解；第二步：根據自己的備課內容及結合自身的科研經歷，進一步給學生講解“納米發動機”相關材料的制備方法及工藝技術特點；第三步：學生根據教師授課內容和自己查閱的相關資料，完善自己的綜述報告。“三步式”教學法組織實施教學，不但可以提高學生學習本門課程的積極性，使學生掌握的知識更加牢固，而且有利于拓展學生的視野，培養了學生的科研興趣，進一步增強了學生自我獲取知識的能力。教學手段是指教師用以運載知識、傳遞教學信息的物質媒體或物質條件，是現代的教師進行教學活動必不可少的輔助用具。隨著計算機應用技術的普及，學校和教師越來越關注用計算機網絡技術來提高教學效率和教學質量。[4]“工程材料力學性能”課程特點是內容多、知識點零散、概念定義多，書中許多抽象的內容很難通過語言的表述來講清楚，理解起來相對困難。教師在教學過程中運用現代多媒體教學手段，自己動手制作多媒體課件，針對專業特點選擇教學內容和教學方法；另外，通過演示一些動畫圖片和視頻，使得原來抽象的、枯燥的知識形象化，使學生易于理解和掌握，同時還增大了教學信息量，在有限的學時內給學生盡可能多地傳達了信息量。

四、優化實驗教學，培養學生的創新能力

工科專業的實驗教學是理論聯系實際的重要環節，與課程體系、學科結構和教學改革等有著密切的關系，對培養大學生的工程意識和創新思維，以及動手能力和分析解決問題能力具有十分重要的意義。我校“工程材料力學性能”課程基本實驗包括碳鋼靜拉伸，不同成分、熱處理工藝對鋼材力學性能的影響，金屬的沖擊韌性，金屬的硬度，金屬材料平面應變斷裂韌性KIC的測定五個實驗。這些實驗比較適合金屬材料、材料加工專業的學生，對于材料物理專業的學生來說，難以感受本專業特點。[2]因此，結合不同的專業特點，將“工程材料力學性能”課程的實驗內容涵蓋多個專業，分為必修、選修兩部分。優化后的實驗內容，不但可以增強學生的動手能力，還可以使不同專業的學生加深對自身專業的理解。比如，針對材料物理專業的本科生，可以開設納米材料力學性能測試綜合選修實驗課。筆者結合自身的科研內容，制備一系列的納米線及納米薄膜材料，同時，材料科學與工程學院新引進的AgilentG200納米壓痕儀，可用來測量納米材料的硬度、模量、應力—應變曲線等傳統力學儀器不能測量的納米材料的力學性能。該試驗的開設，既使學生鞏固了前期所修的“工程材料力學性能”課程，提高學生綜合運用知識的能力，又拓寬了學生的視野，對納米材料的力學性能有了更深層次的理解，為其后續的工作和科研奠定了良好的理論和實踐基礎。材料力學性能實驗方法大都有國家標準，在實驗教學過程中，教師除了傳授最基本的操作方法外，還指導學生如何查找相關標準，對標準進行閱讀，引導學生根據標準文件設計、實施相關實驗，使實驗操作真正做到有據可依，以期培養學生的工程規范意識。另外，針對教材標準滯后實際標準的現象，還介紹目前國內外近期標準，以其讓學生了解近期的測試標準技術信息，同時還使學生對相關測試技術的發展有完整的認識，這對于他們將來的事業發展是非常有利的。[5]

五、優化考核方法，評價學生素質

傳統的一張試卷定終身的考試形式早已不能滿足現代素質教育、創新教育的需要。對此，老師采取了綜合考核方法，從終結性教學評價模式向形成性教學評價方式轉變。[6]綜合考核方法中除了學生的期末筆試成績外，還包括課堂提問、課后作業、實驗成績、小論文等多種評價手段。新的考核方式既鍛煉了學生自主創新、知識綜合運用的能力，又培養了學生查閱分析信息資料、收集分析數據和撰寫科技論文的能力。此外，為了提高學生綜合運用知識的能力，卷面考試有必要增加一些主觀題。比如筆者在出考卷時，增加了一道綜合應用題，內容是結合具體技術和方法，論述材料磨損的控制和防磨措施，從而要求學生將材料磨損的相關知識融會貫通，靈活運用。通過考核方式的改革，學生學習的積極性和主動性都大大提高。上述幾個方面的改革探索，使學生能有效地掌握本門課程的知識，為后續課程和科研工作奠定良好的理論基礎，同時為大學畢業生在將來實際工程中正確地選擇和使用材料、改進材料性能以及分析材料失效行為等問題打下堅實的基礎。

力學性能論文:秸稈纖維在干混砂漿力學性能的影響

摘要：本文首先總結了秸稈和干混砂漿的應用現狀和基本特點，提出在干混砂漿中使用秸稈纖維可以提高砂漿的力學性能，并通過試驗進行了分析驗證，得出了在試驗范圍內干混砂漿的抗壓、抗拉、拉伸粘接強度會隨著秸稈纖維含量的增加而增強的結論。

關鍵詞：秸稈纖維；干混砂漿；力學性能

1秸稈應用的現狀及基本特點

我國作為世界人口大國，糧食產量為世界及時，相應農作物秸稈量也居于世界首位。據相關數據顯示：近年，每年我國的秸稈產量已經突破9億t，并以每年0.12億t的數量逐步增加。很長一段時間內，我國的秸稈資源的利用效率不高，處理相對簡單：用于農村生活中的燒火做飯，飼料喂養家畜等。近年，隨著科學水平的提高，秸稈還田施肥，秸稈氣化制成沼氣等技術正在被推廣開來。但是，作為此類用途的秸稈的使用量僅僅為其總量的50%左右，大量秸稈資源被浪費，特別是在我國一些相對落后的地區，秸稈焚燒現象仍然十分普遍。如何提高秸稈的使用效率，利用其優點，創造更大的經濟價值越來越收到人們的重視。秸稈密度為0.316g/cm3。秸稈和大多數植物細胞一樣是由細胞壁和細胞內部的各種物質組成的，其細胞壁占到細胞總量的80%以上。秸稈細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，其中纖維素主要起骨架作用，支撐起整個細胞，木質素起硬化固化作用，而半纖維素則起到內部粘接作用。秸稈纖維抵抗破壞斷裂的性能和抵抗拉伸變形的能力很高。

2干混砂漿的現狀及基本特點

總理在2016年9月的國務院常務會議中表示：我國將深化政府改革，大力發展裝配式建筑，從而調整產業結構升級。所謂裝配式建筑是指在建筑材料工廠預制建筑構件，然后運輸到施工現場進行裝配而得到的建筑物。現場裝配建筑物構件離不開干混砂漿的粘合作用，近年來，我國干混砂漿產量已成為世界及時，每年已超過1億t，預計到2020年全國范圍內，干混砂漿使用率將超過50%相對于普通的濕拌砂漿，干混砂漿具備和易性好，干縮變形小，質量穩定等特點。在干混砂漿中加入秸稈纖維，不僅可以提高干混砂漿的理化性能，更能提高秸稈的利用效率是農業和建筑的結合，本文將通過試驗，對秸稈纖維對干混砂漿的力學性能的影響進行研究。

3試驗部分

3.1試驗目的

檢驗秸稈纖維對干混砂漿力學性能的基本影響，希望找出秸稈纖維摻量對干混砂漿抗壓強度、抗折強度、拉伸粘接強度的一般規律。

3.2試驗材料

水泥：采用天水P?O42.5級普通硅酸鹽水泥；砂：采用細度為70目的水洗河砂；纖維素醚HPMC：采用赫達15萬粘度值；粉煤灰：上海石洞口發電廠，一級粉煤灰；礦粉：山東康晶S95；秸稈纖維：本試驗室自制，纖維長度為8mm。

3.3試驗設備

本試驗所使用的儀器設備主要包括：砂漿攪拌機：采用無錫建儀JJ-5型水泥砂漿攪拌機；抗折試驗機：隆輝KZJ-500型水泥電動抗折試驗機；壓力試驗機：無錫建儀TYE-2000B壓力試驗機；其他器材：燒杯、天平、攪拌棒、三聯模、養護箱，振實臺等。

3.4試驗設計

本干混砂漿采用的灰砂比，即膠凝材料摻量與砂質量比為1：2.5，水灰比采用固定值0.5，用一級粉煤灰和礦粉分別代替10%的水泥作為膠凝材料，外摻羥丙基甲基纖維素HPMC的量也固定為膠凝材料的0.5%，秸稈纖維摻量占膠凝材料總質量的百分比用P表示，若膠凝材料總質量為300g，則得試驗用砂漿各成分比例如表1所示。P=0%，0.05%，0.1%，0.15%，0.2%。本試驗中，為保障試驗結果的說服力，除秸稈纖維摻量為變量外，其他成分均為定值，根據加入不同質量比例的秸稈纖維，判斷秸稈纖維與干混砂漿力學性能之間的基本聯系。

3.5試驗過程概述

試驗過程結合《干混砂漿物理性能試驗方法》（GB/T29756-2013）、《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671-1999）及《建筑砂漿基性能試驗方法》（JGJ70-2009）的規定。按照上表配比分別進行攪拌，攪拌完成后將拌制好的砂漿澆筑在三聯模中，表面刮平，經24h后脫模，標準試驗條件下養護28d，使用抗折試驗機和壓力試驗機檢查28d抗折、抗壓強度拉伸粘接強度。

3.6試驗結果及分析

3.6.128d抗折強度試驗結果顯示秸稈纖維摻量比例P分別為0%；0.05%；0.1%；0.15%；0.2%時，28抗折強分別為6.5MPa；7.1MPa；7.6MPa；8.2MPa；8.7MPa。不同比例秸稈纖維摻量下的砂漿抗折強度值，可見，相對于P=0%時，含有秸稈纖維的砂漿試塊的28d抗折強度均有所提高，且隨著P值的增加，砂漿的28d抗折強度逐漸增強，當P取本試驗較大值0.2%時，砂漿28d的抗折強度也達到峰值8.7MPa，總量約增加了34%。3.6.228d抗壓強度試驗結果顯示秸稈纖維摻量比例P分別為0%；0.05%；0.1%；0.15%；0.2%時，28抗壓強分別為24.2MPa；24.7MPa；25.3MPa；26.5MPa；27.2MPa。不同比例秸稈纖維摻量下的砂漿抗壓強度值，可見，相對于P=0%時，含有秸稈纖維的砂漿試塊的28d抗壓強度均有所提高，且隨著P值的增加，砂漿的28d抗壓強度逐漸增強，當P取本試驗較大值0.2%時，砂漿28d的抗壓強度也達到峰值27.2MPa，總量約增加了12%。3.6.328d拉伸粘接強度試驗結果顯示秸稈纖維摻量比例P分別為0%；0.05%；0.1%；0.15%；0.2%時，28抗壓強分別為0.66MPa；0.71MPa；0.74MPa；0.79MPa；0.85MPa。不同比例秸稈纖維摻量下的砂漿拉伸粘接強度值，可見，相對于P=0%時，含有秸稈纖維的砂漿試塊的28d拉伸粘接強度均有所提高，且隨著P值的增加，砂漿的28d拉伸粘接強度逐漸增強，當P取本試驗較大值0.2%時，砂漿28d的拉伸粘接強度也達到峰值0.85MPa，總量約增加了29%。

4結語

綜上可見在干混砂漿此類水泥基脆性材料中加入一定量的秸稈纖維，可起到纖維增強作用。秸稈纖維在砂漿試塊中均勻分散，形成了微小的“細筋”結構，在試塊受外力作用時，減少了砂漿試塊中微裂紋的產生。同時，通過對比觀察，隨著秸稈纖維的摻量增加，砂漿試塊的抗折抗壓強度均有所提高，但抗折強度增幅更大，壓折比減小，韌性增加。

作者：韓曉冬 單位：天津城市建設管理職業技術學院

力學性能論文:膠粒混凝土力學性能與耐久性性能研究

［摘要］混凝土中加入膠粒，可有效改善混凝土的某些性能。文中采用三因素三水平的正交試驗，分析了膠粒混凝土的力學性及耐久性能發展規律，并與基準混凝土進行對比。試驗結果表明：摻入膠粒后，混凝土的抗壓強度及抗折強度均降低，彈性模量降低，但抗滲性、抗凍性和抗沖磨性顯著提高。考慮膠粒混凝土的力學性能與耐久性，膠粒混凝土的膠粒摻入量應控制在15±5%左右。

［關鍵詞］膠粒混凝土；力學性能；耐久性能

引言

根據國內大量學者的研究，將橡膠粉摻入混凝土中，可顯著改善混凝土的某些性能[1，2]。王琦[3]采用正交試驗法得出：膠粒粒徑是膠粒混凝土抗滲性能的顯著影響因素，相對于基準混凝土來說，加入膠粒后明顯降低了其質量損失率。高鳳[4]采用正交試驗得出：膠粒混凝土的彈性模量與膠粒摻量、膠粒粒徑、水灰比三因素之間存在良好的線性關系。張迎雪[5]采用混合正交試驗膠粒混凝土的抗沖磨性能，結果表明，膠粒混凝土的磨損率降低。以上關于膠粒混凝土性能的研究已較為成熟，但并未給出膠粒混凝土力學性能與耐久性能的綜合研究。本研究在其基礎上，進一步分析了膠粒混凝土力學性能與耐久性能受膠粒摻量、膠粒粒徑、水灰比的影響。

1試驗設計

1.1試驗原材料

水泥為42.5R型硅酸鹽水泥；粗骨料為卵石，粒徑為5~31.5mm，表觀密度為2650kg/m3，為連續級配；細骨料為河砂，表觀密度為2700kg/m3，細度模數為2.43，級配合格；膠粒為橡膠顆粒，粒徑在0.6~4.75mm之間；水為試驗室自來水。原材料各種指標均滿足國家標準規定。

1.2試驗設計

根據三因素三水平正交組合設計，安排9組試驗點用于測定膠粒混凝土的力學性能和耐久性，每組3個試件，共162個試件。試驗因素水平見表1。膠粒的摻入選用等體積代砂法。

1.3試驗方法

試驗按照《水工混凝土試驗規程》的規定，采用水下鋼球法進行膠粒混凝土的抗沖磨性試驗；抗滲性采用一次性加壓法；抗凍性采用凍融循環法；抗折強度采用劈裂法；彈性模量采用千分表法。

2試驗結果及分析

表2所示膠粒混凝土的力學性能和耐久性試驗結果。

2.1膠粒混凝土力學性能

2.1.1抗壓強度及抗折強度表3所示為膠粒混凝土抗折強度及抗壓強度的極差分析結果。表3膠粒混凝土抗折強度及抗壓強度的極差分析1）實驗中所選三個因素對膠粒混凝土抗壓強度及抗折強度影響的主次順序依次為：膠粒摻量、水灰比、膠粒粒徑。2）灰比在0.4~0.6之間變化時，抗壓強度及抗折強度都在降低。水灰比平均每增加0.1，抗壓強度降低13%，抗折強度降低15%。3）與基準混凝土相比，平均每增加15%的膠粒摻量，抗壓強度降低22%。膠粒摻量在0~15%之間變化時，混凝土的抗折強度降低25%，隨著膠粒摻量的繼續增加，抗折強度的降幅減小。2.1.2彈性模量參考相關文獻［4］關于膠粒混凝土彈性模量的研究可知：與基準混凝土相比，膠粒混凝土的彈性模量降低約60%~70%；影響膠粒混凝土彈性模量的主次順序依次為膠粒摻量、膠粒粒徑、水灰比；膠粒平均每增加15%，彈性模量降低21%。并且膠粒混凝土的彈性模量與膠粒摻量、膠粒粒徑、水灰比之間存在良好的線性關系。

2.2膠粒混凝土耐久性

2.2.1抗沖磨性圖3為抗沖磨強度單因素分析圖，由圖可得：1）摻入膠粒從0增加到15%時，抗沖磨強度由5.08h/（g/cm2）增加到12.58h/（g/cm2），是基準試件2.47倍。但隨著膠粒從15%增加到30%，抗沖磨強度由12.58降低到1.85h/（g/cm2），降低幅度較大。2）從圖（c）中可以看出：抗沖磨強度隨膠粒粒徑的變化基本為一條直線，即抗沖磨強度基本不受膠粒粒徑的影響。2.2.2抗滲性與抗凍性參考相關文獻［3］膠粒混凝土抗滲性、抗凍性的分析，繪制相關曲線圖4、圖5，得：數先降低后升高。受摻入膠粒的影響，相對滲透系數先增大后減小，但膠粒摻量在0%~30%變化時，相對滲透系數受膠粒摻入的影響比較小。膠粒粒徑在1.18~2.36mm變化時，相對滲透系數低，即抗滲性好。2）膠粒混凝土的抗凍性受膠粒摻量的影響最為顯著，摻入膠粒后，混凝土的抗凍性明顯升高。摻入膠粒15%的混凝土質量損失率僅為0.6%，相對于普通混凝土的6.6%，降低了90%。但膠粒摻量增加到30%以后，出現了反彈。

3結論

1）受摻入膠粒的影響，膠粒混凝土的抗壓抗折強度降低，彈性模量降低。2）膠粒摻量是影響膠粒混凝土耐久性的主要因素，相比于基準混凝土，膠粒混凝土的抗滲性、抗凍性和抗沖磨性都有所提高。3）綜合考慮膠粒混凝土的力學性能及耐久性性能，摻入膠粒應當在15±5%左右，此時，混凝土的各項性能均較為良好。

力學性能論文:碳纖維如何增強復合材料的力學性能

摘要：碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的應用范圍進一步擴大，不難看出，這種材料因其較好的綜合性能遠遠超越了單一組合的材料模式。本文試圖對碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能進行深入的研究。本文使用了簡單概述，也采用了重點分析的研究策略，梳理了對研究對象的概述和主要的性能特點。

關鍵詞：碳纖維；復合材料；力學性能

本文以碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料為研究對象，對相關的概念和內容進行了梳理和總結。其中概括了碳纖維的性質性能，對復合材料的概念進行了闡述，對碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能作了詳盡的分析說明。

1.關于碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的概述

⑴復合材料的概念：面對傳統、單一組分的材料已經難以滿足現在應用需要的現實狀況，開發研制新材料，是解決這個問題的根本途徑。運用對材料改性的方法，來改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，復合是最為常見的一種。國際標準化組織對于復合材料的概念有明確的界定：復合材料是指由兩種或兩種以上不同化學性質和物理性質的物質組成的混合固體材料。它的突出之處在于此復合材料的特定性能優于任一單獨組分的性能。⑵復合材料的分類簡介：復合材料的有幾種分類，這里不作一一介紹。只介紹兩種與本論文相關的類別劃分。如果以基體材料分類，復合材料有金屬基復合材料；陶瓷基復合材料；碳基復合材料；高分子基復合材料。本文討論的是一種高分子基復合材料，它是以有機化合物包括熱塑性樹脂、熱固性樹脂、橡膠為基體制備的復合材料。第二，如果按增強纖維的類別劃分，就存在有機纖維復合材料、無機纖維復合材料、其他纖維復合材料。其中本文討論的對象屬于無機纖維復合材料這一類別，因為碳纖維就是無機纖維復合材料的其中一種。特別值得注意的是，當兩種或兩種以上的纖維同時增強一個基體，制備成的復合材料叫做混雜纖維復合材料。實質上是兩種或兩種以上的單一纖維材料的互相復合，就成了復合材料的“復合材料”。

2.纖維增強樹脂基復合材料的性能特點

纖維增強樹脂基復合材料是指以高分子聚合物為基體材料，用纖維作增強材料復合制備而成的。基體材料和增強材料必然各自發揮自己的優勢作用。之所以用纖維作增強材料是因為纖維具有高強度和高模量的優點，所以是承載體的“不二人選”。而采用高分子聚合物作基體材料，是考慮其良好的粘接性能，可以將纖維和基體牢固的粘連起來。不僅僅如此，基體還需發揮均勻分散載荷的作用，通過界面層，將載荷傳遞到纖維，從而使纖維承受剪切和壓縮的載荷。當兩者存在良好的復合狀態，并且使結構設計趨于化，就能較大程度上發揮復合材料的綜合性能。⑴抗疲勞性能好：所謂疲勞破壞指的是材料在承受交變負荷時，形成裂縫繼續擴大而引起的低應力破壞。纖維增強樹脂基復合材料的疲勞破壞的發生過程是，首先出現裂縫，繼而裂紋向進一步擴大的趨勢發展，直到被基體和纖維的界面攔阻。在此過程中，纖維的薄弱部位被破壞，隨之逐漸擴延到結合面。因此，纖維增強樹脂基復合材料在疲勞破壞前存在明顯的征兆，這與金屬材料的疲勞發生截然不同。這也是它的抗疲勞性能好的具體表現。⑵高溫性能好：纖維增強樹脂基復合材料具有很好的耐熱性能。將材料置于高溫中，表面分解、氣化，在吸熱的同時又冷卻下來。材料在高溫下逐漸消失的同時，表面又有很高的吸熱效率。這些都是材料高溫性能的物理特征。⑶高比強度和比模量：纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度和高比模量的特征。甚至在和鋼、鋁、鈦等金屬材料相比，它的力學性能也十分出色。這種材料在宇航工業中，受到極大的應用。⑷安全性能好：纖維增強樹脂基復合材料中分布的纖維數量巨大，并且密度強，用數據來說明的話，每平方厘米的復合材料上的纖維數量少則幾千根，多則達到上萬根。即便材料超負荷，發生少量纖維的斷裂情況，載荷也會進行重新分配，著力在尚未斷裂的纖維部分。因此，短時間內，不會影響到整個構件的承載能力。⑸設計的可操作性強：當復合材料需要符合性能和結構的設計需求時，可以通過很多方法來實現。包括改變基體和纖維的品種，調整它們的含量比例，也可以通過調整纖維的層鋪結構和排列方式來實現。因此，可以說，纖維增強樹脂基復合材料有很強的設計可操作性。⑹成型工藝簡單易成：成型工藝過程十分簡單易成，因其制品大多都是整體成型，無需使用到焊接、切割等二次加工，工藝流程簡單好操作。一次性成型不僅可以減少加工的時間，同時減少了零部件、緊固件、接頭的損耗，使結構更趨于輕量化。⑺減震性能好：高的自振頻率可以對工作狀態下的早期破壞起到規避和防范的作用。自振頻率和材料比模量的平方根成正比，和材料結構也息息相關。纖維增強樹脂基復合材料的基體界面和纖維因為具有吸振能力，所以能夠起到很好的減震效果。

3.碳纖維增強熱塑料樹脂基復合材料中碳纖維的性質

⑴對纖維的分類：纖維存在有機纖維和無機纖維之分。增強纖維共有五大類別，分別是：硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及芳綸纖維。除一種芳綸纖維以外，其他四種都屬于無機纖維。碳纖維是五大纖維之冠，是增強纖維中最有活力的一種。碳纖維復合材料種類很多，但是應用最廣泛的還要屬碳纖維增強樹脂基復合材料。⑵碳纖維的性質和性能：碳纖維是纖維狀的碳素材料，它的性質包括導熱、導電、耐溫、耐磨、比重小且耐腐蝕性等。除此之外，它的性能也相當突出，具有熱膨脹系數小、抗震動衰減、自潤滑性以及防原子輻射等。因為碳纖維的纖維屬性，因此可以對其編制加工，纏繞成型。利用纖維狀直徑細的特點，是制成復合材料雜曲面構件部件的絕佳材料。碳纖維能夠成為最有活力的增強纖維，它密度低，抗拉伸強度可以和玻璃纖維比肩，而碳纖維的彈性模量卻是后者的4到5倍。在惰性氣氛中，碳纖維的抗拉強度隨溫度的升高而攀升，表現出極佳的性能。因此，不得不說碳纖維是復合材料增強纖維的。⑶碳纖維的力學性質：碳纖維的力學性質主要通過軸向抗拉模量來體現。當熱處理溫度上升，碳纖維的模量隨之攀升。細直徑纖維在預氧化過程中，發生碳化，產生很多排列整齊的餓表皮結構。這些結構對碳纖維模量的增加又起到推波助瀾的作用，促使它的模量進一步提高。碳纖維模量的變化趨勢以施加負荷的方式作為判別標準，不是隨應變的增加而增加，就是隨應變的增加而下降，無非是這兩種情況。

4.纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的力學性能研究

⑴纖維增強樹脂基復合材料的力學性能①拉伸性能：單向增強樹脂基復合材料，沿纖維方向的拉伸模量跟纖維體積含量的增大成正比增加。但是如果采用的是短切纖維和玻璃布增強的材料層合板，拉升強度和拉升模量就不與纖維體積成正比增加，但是仍然保持隨纖維體積增加而提升。通常情況下，復合材料的纖維方向的主彈性模量，雙向是單向的0.5-0.55倍。而混雜纖維增強樹脂基復合材料的彈性模量是拉伸模量的0.35-0.4倍。②壓縮性能：樹脂基復合材料的壓縮性能由基體材料的質量決定，拉伸性能由纖維增強材料的質量決定。因此，要想提高樹脂基復合材料的壓縮性能，就得立足于選用抗壓強度較高的樹脂基體。纖維樹脂基復合材料的壓縮特性和拉伸特性存在相似性，在應力小，纖維未壓彎的條件下，壓縮彈性的模量接近。③彎曲性能：增強樹脂基復合材料的彎曲性能受幾個因素的影響，具體包括纖維增強材料的種類、鋪層方式和纖維織物種類。如果這三點不同，彎曲性能就不盡相同。當纖維增強樹脂基復合材料的破壞發生時，破壞首先出現在增強纖維與基體材料的界面上，其次是基體材料的破壞，出現在增強材料。④剪切性能：纖維增強樹脂基復合材料的剪切強度主要和三個因素密切相關。其中包括：及時，纖維樹脂界面粘接強度；第二，基體樹脂強度；第三，纖維的含量。通過實驗可以證明，復合材料的剪切彈性模量隨著纖維含量的增大而呈上升趨勢。⑵纖維增強樹脂基復合材料的力學性能的特點纖維增強樹脂基復合材料的力學性能特點可以簡單歸納為四點。及時，比強度高；第二，其力學性能呈現明顯的方向差異性；第三，彈性模量和層間剪切強度低；第四，性能分散性大。⑶界面對復合材料的力學影響界面將基體和纖維連接成一個整體，并成為應力傳遞的橋梁。纖維與基體的相容性會影響到界面的完整性。如果相容不好，形成界面不完整，就會影響到應力的傳遞。因此，完整的界面層是保障復合材料界面層均勻應力傳遞，凸顯優異性能的前提。對于復合材料的性能呈現，界面發揮著不可替代的作用，直接影響著復合材料的力學性能。牢固而完好的界面結合層，是可以大大提高復合材料橫向拉伸程度和層間拉伸程度的。同樣的，它也可以恰如其分地提高復合材料的橫向及層間拉剪切模量和伸模量。碳纖維實際上是一種韌性較差的纖維，當連接基體和纖維的界面是脆性的，斷裂應變小，強度大的情況下，纖維很脆，斷裂了，就直接導致裂紋順著纖維的方向持續擴展，周邊的纖維受到影響也相繼斷裂。由此可以推斷，纖維增強復合材料的韌性不好。如果在此情況下，如果界面的結合強度不高，那么纖維斷裂就會引起裂紋斷裂的走向，沿界面擴展，在擴展路徑中，凡是遇到纖維的缺陷部位和薄弱地段，裂紋自然的越過纖維，仍然沿界面擴展，就形成了曲曲折折的斷裂途徑。通過以上分析，不難看出，如果遇到基體、界面的斷裂應變低值的情況，采取改善斷裂韌性的措施，減弱界面強度，提高纖維延伸率是十分有效的辦法。關于碳纖維增強復合材料的研究目前主要集中在幾點上。包括有：不同基體的成型工藝、碳纖維、力學性能、界面層設計、界面層性能等。由于碳纖維增強復合材料有很高的綜合性能優勢，因此，目前該課題的研究仍然是活躍而興興向榮的。它吸引了很多對該課題感興趣的學者的目光，國內外一些學者也投入其中，作了大量的研究，其中不乏有一些值得借鑒的思路和火花。就現在的情況而言，碳纖維增強熱塑料樹脂基復合材料的研究大多指向電性能，而在成型工藝、力學性能的關注和研究頗少。探索是永無止境的，而探索精神永遠引領人們尋找真理。

作者：張豫坤 牛宏校 鄧晨興 單位：遼寧科技大學

力學性能論文:混凝土基本力學性能試驗研究

摘要：本文針對混凝土在硫酸鹽與荷載耦合作用下，對相對動彈性模量、抗壓強度與侵蝕齡期的關系進行研究。分別測出侵蝕90天、180天、360天、540天，混凝土的相對動彈性模量、抗壓強度。在matlab中依據所得數據繪制圖像分析。結果表明，硫酸鹽腐蝕與荷載作用都會損傷混凝土的力學性能。

關鍵詞：混凝土；硫酸鹽腐蝕；長期荷載作用；擬合

引言

硫酸根離子廣泛存在于各種環境，通過擴散、滲透等作用侵入到混凝土內部，并與混凝土中水泥水化產物發生化學反應生成膨脹產物，使混凝土開裂，強度出現大幅度縮減。與此同時，考慮到混凝土自重較大，特別是道路、橋梁等結構還要承受一定的交通荷載，所以混凝土在實際使用期間需要承受荷載和硫酸鹽腐蝕的雙重作用。以往的混凝土硫酸鹽侵蝕研究基本是集于在硫酸鹽單一因素環境下開展的，忽視了混凝土在現實環境中需要承受荷載這一要素。最近幾年間，已有部分學者開始關注這個問題，并通過大量試驗來分析混凝土長期承受荷載和硫酸鹽腐蝕的過程中性能的變化趨勢。本文主要研究荷載-硫酸鹽侵蝕雙因素耦合作用對混凝土材料力學性能的影響，以及混凝土的損傷演化規律。

1試驗方法

本文的試驗是將受軸向壓應力的混凝土構件放置于硫酸鹽溶液中。也就是在硫酸鹽溶液侵蝕混凝土的同時，加載軸向壓應力。加載裝置利用預應力后張法原理，通過擰緊螺母壓縮彈簧對混凝土施加荷載。測出90天、180天、360天、540天，混凝土的動彈性相對模量、抗壓強度。

2硫酸鹽侵蝕與載荷作用后混凝土基本力學性能

2.1相對動彈性模量

隨著侵蝕齡期的變化情況混凝土在1%濃度的硫酸鹽溶液，在0%與15%的應力水平下相對動彈性模量隨著侵蝕齡期的增加而增加，而在30%的應力水平下，相對動彈性模量隨著侵蝕齡期的增加先增加后減小。混凝土在5%和10%濃度的硫酸鹽溶液，在0%與15%的應力水平下相對動彈性模量隨著侵蝕齡期的增加先增加后減小，在30%的應力水平下直接減小。混凝土在0%的應力水平下侵蝕至540天時所有濃度下的混凝土的動彈性模量都沒有小于初始值；在15%的應力水平下，侵蝕至540天時只有10%濃度的硫酸鹽溶液中混凝土的相對動彈性模量小于初始值；在30%應力水平下，侵蝕至540天時，所有濃度的硫酸鹽溶液中混凝土的相對動彈性模量都小于初始值。（圖1-3）

2.2不同硫酸鹽溶液濃度下，抗壓強度隨著侵蝕齡期的變化

混凝土在1%濃度的硫酸鹽溶液中，在0%和30%的應力水平下抗壓強度隨著侵蝕齡期的增加，先增加后減小，而在15%應力水平下抗壓強度隨著侵蝕齡期的增加而增加。混凝土在5%濃度的硫酸鹽溶液中，抗壓強度均隨著侵蝕齡期的增加先增加后減小。混凝土在10%濃度的硫酸鹽溶液中，在0%和15%應力水平下，抗壓強度隨著侵蝕齡期的增加先增加后減小，在30%的應力水平下，抗壓強度隨著侵蝕齡期的增加不斷減小。

3結論

本文針對硫酸鹽侵蝕與荷載共同作用下，混凝土的基本力學性能進行了研究，主要結論如下：①硫酸鹽侵蝕對混凝土的動彈性模量與抗壓強度有削弱作用，并且硫酸鹽濃度越大削弱作用越明顯。②低荷載作用下，混凝土的動彈性模量與抗壓強度會出現一段加強階段但是隨著荷載的逐步增加，加強階段逐漸變短當荷載達到30%應力水平加強階段開始消失。

作者：任逸飛 左志遠 姜孟杰 王中原 單位：徐州工程學院

力學性能論文:高強混凝土短柱力學性能試驗研究

【摘要】在隨著科技的不斷發展，混凝土的強度不斷提高，此外建筑方案的復雜化也使得在許多建筑當中必須要設置短柱。而短柱的抗震性能相對較低，利用高強混凝土澆筑的短柱的力學性能一直以來都沒有引起學術界的關注，在本文當中，筆者利用12根高強混凝土短柱進行了實驗，研究了高強混凝土短柱在反復荷載作用下的力學性能進行了研究，主要研究了高強混凝土的延性以及抗剪強度等力學能力。

【關鍵詞】高強混凝土短柱；力學能力；實驗研究

1前言

自從改革開放之后，我國的經濟持續高速發展，許多高層以及超高層建筑不斷出現，這部分建筑由于底層軸壓比的限制，必須要采用強度較高的混凝土，特別是在超高層建筑當中，往往底層豎向構建的混凝土強度等級都需要達到C60。同時由于建筑抗側移剛度的影響，許多底層的柱子都必須要加大截面才能保障建筑的整體穩定，這就必然導致短柱的產生。我國現階段使用的《混凝土結構設計規范》、《高層建筑混凝土設計規程》以及《建筑抗震設計規范》等規范與規程往往都是基于低等級的混凝土研究而得出的結果，因此，這些規范對于高強度的混凝土結構設計存在著一定的缺陷，采用高強混凝土建造的框架柱，其延性以及抗剪強度能否得到有效的保障對于建筑的抗震性能具有非常嚴重的影響。在本文當中筆者對不同軸壓比以及配箍率的高強混凝土短柱的延性以及抗剪性能進行了必要的研究。

2實驗概況

2．1加載裝置及加載制度在本文的實驗研究當中，筆者采用的是一種搭接了混凝土簡支梁的框架柱，荷載的加載模式如圖1中所示。首先用電液伺服作動器施加軸向荷載并保持為定值，之后再反復施加橫向荷載，加載制度采用變幅變位移制度，每一控制位移下橫向荷載循環2次，加載制度如圖2所示。在屈服位移以前先在一個方向施加橫向荷載至試件產生橫向裂縫，爾后再向另一方向加載至開裂。2．2相關的試驗參數在本文的實驗當中，柱截面尺寸為200mm×200mm，柱子的剪跨比分別為1．65、1．5與1．35，柱子的縱向配筋率為1．78%。柱子的混凝土強度等級為C60，軸壓比分別為0．8、0．7、0．6、0．5、0.4，柱子的箍筋采用直徑為6和8的一級鋼。

3實驗結果

3．1破壞特征在實驗開始的最初階段，短柱還是處于彈性變形階段，在卸載之后幾乎沒有殘余變形，隨著荷載的不斷增加，最初在柱子的底端出現了斜裂縫，斜裂縫不斷增加，最終形成較大的斜裂縫，大斜裂縫出現之后，與斜裂縫斜交的箍筋的應力不斷增長，與混凝土共同承擔剪力，在這個過程當中箍筋逐漸屈服，發生突然性的剪切破壞。3．2影響高強混凝土短柱延性的因素在本次實驗當中，采用能量等效法求解屈服位移Δy，再根據實驗所觀察到的極限位移Δu，將延性比定義為:uΔ=Δu/Δy軸壓比對高強混凝土短柱延性的影響:如圖3中所示為不同試件在相同的體積配箍率下的位移延性比，從中我們可以看出，隨著軸壓比的增加，剛開始柱子的延性會不斷增加，但是在增加到一定程度之后，柱子的延性明顯降低，柱子出出現明顯的脆性破壞特征。3．3影響高強混凝土短柱抗剪性能的因素(1)混凝土的強度根據近期的研究表明，隨著混凝土強度的不斷提高，混凝土柱子的抗剪性能會不斷提高，但是二者之間并不是完成成正比提高。(2)剪跨比高強混凝土柱在軸壓比與混凝土強度相同的情況下，構件的抗剪強度隨剪跨比增大而降低。

4結語

隨著高強混凝土在工程當中的運用越來越廣泛，對高強混凝土柱的力學性能進行研究對于提高結構的抗震性能具有非常重要的意義，在本文當中，筆者設計了實驗對高強混凝土的力學性能進行了研究。

作者：馮兆奇 單位：成都理工大學環境與土木工程學院

力學性能論文:鋁鋰合金自沖鉚接頭靜力學性能研究

文摘以1420鋁鋰合金(AL1420)為載體制備其同質及其與H62銅合金(H62)、Q215鍍鋅鋼(Q215)和TA1工業純鈦(TA1)異質單搭自沖鉚接頭。通過靜力學試驗分析各種接頭的靜失效載荷及能量吸收性能;就其失效模式分析推斷其宏觀失效機理。結果表明:TA1－AL1420接頭靜失效載荷較高，Q215－AL1420接頭能量吸收性能最強;除TA1－AL1420接頭外，其余各組接頭失效位移呈現出的大小規律與能量吸收值的高低規律一致。當上下板材屈服強度相差不大時，接頭的失效模式均為下板與鉚釘分離;相差較大時，主要以屈服強度較低板斷裂失效。

關鍵詞自沖鉚，鋁鋰合金，靜失效載荷，能量吸收

引言

近年來，對結構輕量化的需求日益提高，鋁鋰合金等新輕型材料逐漸被應用于汽車、船舶及航空等工業中。鋁鋰合金是高比強度及比模量的合金;采用鋁鋰合金替代傳統結構材料，可使構件結構質量減輕15%，剛度提高15%～20%［1］。且較先進復合材料而言，鋁鋰合金有明顯的價格優勢。但是采用傳統電阻電焊等技術很難甚至不能對其實現連接;而攪拌摩擦焊、激光焊接、自沖鉚接、壓印連接及結構粘接等薄板材料連接新技術可以對其實現有效連接［2－3］。作為其中之一的自沖鉚接是一種快速機械冷連接技術，其連接主要依靠鉚接過程中上下板材及鉚釘的塑性變形和回彈所形成的機械內鎖來實現［4］。目前國內外學者已經對自沖鉚接技術進行了一系列研究。FU等［5］研究了鉚接參數變化對鋁合金自沖鉚接頭機械性能的影響及其疲勞失效機理，發現疲勞循環至總數的75%時，接頭強度逐漸降低，而至90%時強度突然下降，此外還指出刺穿力在一定范圍內變化會影響接頭靜失效載荷，而對疲勞性能幾乎沒有影響。ATZENI等［6］通過試驗和數值模擬的方法分析了不同鉚接壓力對接頭成形性的影響。王醫峰等［7－8］利用自沖鉚連接系統、材料試驗機和電子掃描顯微鏡等設備研究了TA1鈦合金、8090鋁鋰合金及5052鋁合金自沖鉚接接頭的力學性能和靜態失效機理。LI等［9－10］研究了鉚釘到板材邊緣距離對鋁合金自沖鉚接頭機械性能的影響;發現在板寬一定的情況下，邊緣距離在一定范圍內增加，接頭的剪切和剝離強度也隨之增加，且采用11．5mm的邊緣距離可獲得機械性能。然而自沖鉚領域對鋁鋰合金自沖鉚接頭的研究還相對較少。本文以1420鋁鋰合金為載體制備其同質及其與H62銅合金、Q215鍍鋅鋼和TA1工業純鈦異質單搭自沖鉚接頭;以靜力學試驗為基礎分析接頭靜失效載荷、能量吸收性能及宏觀失效機理。以期為后續對鋁鋰合金自沖鉚接頭的研究及鋁鋰合金應用于工程實際提供相關數據支撐。

1實驗過程

1．1自沖鉚接試驗

被鉚接板材為1420鋁鋰合金板(AL1420)、銅合金板(H62)、鍍鋅鋼板(Q215)和工業純鈦板(TA1)，尺寸均為110mm×20mm×1．5mm，其力學性能參數如表1所示。鉚接試驗在德國Bllhoff公司生產的自沖鉚接設備［RIVSETVARIO－FC(MTF)］上進行。本研究采用接頭剖面直觀檢測法［11］來評價鋁鋰合金自沖鉚接頭的成形質量，接頭剖面示意圖及其評價標準如圖1所示。通過多次對比試驗獲得剖面鉚接參數，并以之制備AL1420－AL1420(AA)、H62－AL1420(HA)、AL1420－H62(AH)、Q215－AL1420(QA)、AL1420－Q215(AQ)、TA1－AL1420(TA)和AL1420－TA1(AT)單搭接頭各10個。

1．2靜力學試驗

靜力學試驗在美國MTS公司生產的Land-mark100電液伺服材料試驗機上進行。具體方法如下:在試件兩端分別夾持尺寸為25mm×20mm×1．5mm的墊片，以減小試件受力不對中附加扭矩導致的影響;拉伸速率設定為5mm/min，失效判據為99%，對各組接頭分別進行10次重復拉伸—剪切試驗。

2結果及分析

2．1靜失效載荷及能量吸收

經過靜力學試驗，獲得各組接頭的載荷位移曲線，以便比較從中各選取一條典型載荷位移曲線繪制圖2。對于試驗結果，依據GB/T4883—2008選用格拉布斯(Grubbs)檢驗法剔除離群值。經檢驗，所有靜失效載荷數據中無離群值，數據有效;而失效位移數據中，AQ接頭的第7個數據、TA接頭的第3和第4個數據以及AT接頭的第3個數據均為離群值，故將其剔除。以其余有效數據計算靜失效載荷均值和能量吸收均值并繪制圖3。可見，AA接頭的靜失效載荷為6．02kN，明顯低于TA接頭，但也明顯高于其余5組接頭;其能量吸收值為16．8J。TA接頭的靜失效載荷為6．434kN，是7組接頭中的較高值，其能量吸收值為17．5J，僅次于QA接頭;而AT接頭的靜失效載荷為4．818kN，明顯低于其余接頭，同時AT接頭的能量吸收值也低，僅有12．3J。對于HA、AH、QA及AQ接頭，其靜失效載荷相差不大，分別為5．304、5．229、5．386和5．448kN;但就能量吸收值而言，QA接頭(21．6J)較高，AH接頭(16．8J)次之，AQ接頭(15．3J)稍高于HA接頭(15．1J)，QA接頭明顯優于其余接頭。圖3接頭靜失效載荷及能量吸收Fig．3Staticfailureloadsandenergyabsorptionsofdifferentjoints結合圖2可發現，除TA接頭外，其余各組接頭失效位移呈現出的大小規律與能量吸收值的高低規律一致;因為能量吸收值同時受載荷與失效位移的影響，TA接頭載荷上的優勢彌補了其失效位移的劣勢。接頭能量吸收值的大小直接反映接頭緩沖吸震性能的優劣，結合以上分析便可依據工程實際需求選取相應接頭。綜上所述可知，就靜失效載荷與能量吸收而言，對于上下板屈服強度相差較大的接頭，以屈服強度較低板作為下板的接頭綜合性能明顯優于以其作為上板的接頭;而對于上下板屈服強度差距相對較小的接頭(如HA、AH、QA及AQ接頭)，并未呈現出一定的規律性;且由AA接頭可以推斷，板材的延展性對接頭性能存在一定的影響。

2．2失效模式

各組接頭的失效模式見圖4。總體來講，除TA和AT接頭外，其余5組接頭的失效模式均為下板與鉚釘分離;然而由于板材性能的差距以及搭接方式的不同，該5組接頭的失效模式也存在一定的差異。圖4中AA與AH接頭上板靠近鉚釘附近均出現撕裂;這是因為AL1420延展性較差，在拉伸失效過程中，板材通過塑性變形無法承受持續增加的載荷，故出現板材撕裂。而對于同樣以AL1420作為上板的AQ接頭，由于下板Q215延展性較好且表面鍍鋅，降低了鉚釘與板間的摩擦力，拉伸失效過程中，下板內鎖區域的損壞變形相對于AA和AH接頭更為嚴重。HA接頭由于上板延展性較好且材質較硬，失效過程中并沒有出現嚴重的損傷;然而QA接頭因上板延展性較好且材質偏軟，上板鉚釘孔區域出現了嚴重的變形。對于TA和AT接頭，多數試樣因AL1420斷裂而失效;僅有3個TA接頭試樣由于下板與鉚釘分離而失效，且該3個接頭下板內鎖區域變形均非常嚴重(如圖4f左圖);這是由TA1強度遠高于AL1420且其材質硬度很高所致。結合表1可發現，當上下板材屈服強度相差不大時，接頭的失效模式均為下板與鉚釘分離;而相差較大時，接頭的失效模式主要為屈服強度較低的板斷裂失效。

3結論

(1)TA接頭的靜失效載荷較高，AA接頭次之，AT接頭低，其余4組試樣差距不大;對于能量吸收值，QA接頭較高，TA接頭次之，AA與AH接頭優于AQ和HA接頭，AT接頭明顯低于其余6組接頭。(2)除TA接頭外，其余各組接頭失效位移呈現出的大小規律與能量吸收值的高低規律一致;對于上下板屈服強度相差較大的接頭，以屈服強度較低板作為下板的接頭綜合性能明顯優于以其作為上板的接頭;由AA接頭可以推斷，板材的延展性對接頭性能存在一定的影響。(3)多數TA和AT接頭試樣因AL1420斷裂而失效，僅有3個TA接頭試樣由于下板與鉚釘分離而失效;其余5組接頭的失效模式均為下板與鉚釘分離。當上下板材屈服強度相差不大時，接頭的失效模式均為下板與鉚釘分離;而相差較大時，接頭主要以屈服強度較低板斷裂失效。

作者：張先煉 何曉聰 程強 盧毅 單位：昆明理工大學機電工程學院

力學性能論文:冷軋板力學性能研究

1實驗材料與方法

以厚度為1mm的08Al冷軋薄板為實驗材料，在實驗室箱式電阻爐中進行真空退火。具體的工藝制度為將實驗樣品從室溫加熱到不同的退火溫度:600、640、680和720℃，保溫1h，然后隨爐冷卻到室溫。采用光學顯微鏡(ZeissAcovert40MAT，OM)和掃描電子顯微鏡(SHIMADZUSSX-550，SEM)進行顯微組織觀察。采用維氏顯微硬度計對試樣進行硬度測試，測定載荷為50g，加載時間為10s，每個試樣測試5個硬度值，然后求取平均值。冷軋板切割成標準拉伸試樣(L0=25mm)，在每個測試溫度下進行3組拉伸實驗。拉伸速率為6mm/min。常溫單向拉伸試驗在微型控制電子實驗機上進行。

2結果與討論

2.1退火溫度對顯微組織的影響

圖1為不同退火溫度下的顯微組織照片。由圖1可知，退火溫度為600℃時，晶粒較細(圖1a)。隨退火溫度升高，晶粒尺寸逐漸增大(圖1b～1d)。當退火溫度達到720℃時，出現了比較明顯的大晶粒(圖1d)，出現這種現象的原因是退火溫度過高導致了部分晶粒的異常長大。對不同退火溫度下對08Al冷軋板的晶粒面積進行了統計，結果如圖2所示。由圖2可知，隨退火溫度升高，晶粒逐漸長大，在680℃以下時，增大速率較小，當退火溫度超過680℃時，晶粒急劇長大。通過各退火溫度下晶粒面積的誤差棒長短可以知道，晶粒均勻度先降低在升高，在680℃時，晶粒更加均勻，而在720℃時晶粒尺寸分布變得非常不均勻。潘欣等［10］發現08Al鋼板的再結晶溫度范圍在520～580℃，因此在本實驗的退火溫度下，08Al冷軋板需要經歷再結晶形核以及長大過程。在退火溫度為600～680℃時，退火溫度越高，再結晶越充分，小晶粒有條件長大，組織也越均勻。而在720℃時，局部超過共析相變點，再結晶長大速率變大，導致部分晶粒急劇長大。圖3為不同退火溫度下08Al冷軋板的掃描電鏡照片。由圖3可知，退火組織均由鐵素體和滲碳體組成。在600、640和680℃等退火溫度下的滲碳體為游離滲碳體(圖3a～3c)。在720℃的退火組織中出現了明顯的半網狀和網狀的滲碳體(圖3d中箭頭位置)。在退火溫度為720℃的樣品中，由于退火溫度的不均勻，導致樣品局部溫度過高，超過共析相變點，析出少量奧氏體，緩慢冷卻時導致網狀滲碳體離異析出。

2.2退火溫度對力學性能的影響

2.2.1退火溫度對硬度的影響

圖4為08Al冷軋板在不同退火溫度下的維氏硬度。由圖4可知，隨退火溫度升高，08Al冷軋板維氏硬度逐漸降低。當退火溫度從600℃升高到640℃時，硬度值下降幅度不大;當退火溫度從640℃升高到720℃時，硬度值下降的幅度明顯增大。其原因可能為:(1)隨退火溫度升高，滲碳體析出增多，而在晶粒內部的滲碳體逐漸減少。滲碳體的硬度遠遠大于鐵素體，因此硬度逐漸降低［11］。(2)隨退火溫度升高，晶粒逐漸長大，晶界密度降低，晶界對位錯運動起到阻礙作用，所以晶粒越大，位錯被阻滯的部位越少，因而硬度下降［12］。

2.2.2退火溫度對拉伸性能的影響

為不同退火溫度下08Al冷軋板力學性能的變化關系。由圖5可知，隨退火溫度升高，08Al冷軋板的屈服強度和抗拉強度均有不同程度降低。當退火溫度從600℃升高到640℃時，08Al冷軋板的斷裂伸長率升高;當退火溫度從640℃升高到680℃時，斷裂伸長率出現降低趨勢，但640℃和680℃的數據相差不大。屈服強度和抗拉強度隨溫度升高而降低的原因主要是退火消除了冷軋后的加工硬化現象，冷軋鋼的性能得到明顯改善。從晶粒尺寸方面分析屈服強度隨退火溫度的變化情況，當退火溫度上升時，試樣的晶粒尺寸逐漸變大。斷裂伸長率變化的原因可能為隨退火溫度的升高晶粒逐漸均勻化，出現升高的現象，但隨溫度的升高晶粒也逐漸變大，伸長率出現短暫下降，在720℃退火溫度時，組織中出現網狀和半網狀滲碳體，使試驗樣品的力學性能降低。圖5(b)為08Al冷軋板的屈強比與退火溫度的關系曲線。由圖5(b)可知，屈強比隨退火溫度升高表現出先降低后升高的變化趨勢，在680℃時達到低值。屈強比是表征材料由塑性變形到斷裂過程的形變容量，衡量冷軋板的重要指標［5］。為保障結構設計的安全性，要求鋼材在斷裂之前具有足夠的塑性變形，所以要求鋼材具有低的屈強比。

3結論

1)08Al冷軋板在退火溫度為680℃時獲得較為均勻的組織結構，當退火溫度超過720℃時會出現晶粒異常長大和半網狀、網狀滲碳體;2)隨退火溫度升高，08Al冷軋板的硬度逐漸下降。08Al冷軋板的屈強比呈現先降低再升高的趨勢，在680℃時相對較低。

作者：王鳴 單位：遼寧工程技術大學材料科學與工程學院

力學性能論文:點焊焊接力學性能探析

1實驗方法

實驗材料為Si-Mn系超高強度淬火鋼和DC04低碳鋼板，鋼板厚度均為1.5mm。Si-Mn淬火鋼的化學成分w(%)為：0.28C、1.71Si、1.02Mn、0.012P、0.006S、1.01Cr、0.02Al，余量為Fe。DC04鋼的化學成分w(%)為：0.09C、0.36Mn、0.020P、0.003S、0.020Al，余量為Fe。采用線切割將Si-Mn淬火鋼加工為200mm×300mm的試樣，并在熱成形模具(U型)上進行淬火試驗，沿長度方向將淬火后的試樣加工成點焊樣品，且要求點焊接頭適合進行拉伸疲勞試驗。拉伸試樣如圖1所示，其中，L=160mm，B=H=40mm，δ1=δ2=1.5mm。表1為不同點焊試驗工藝參數。球面平頭電極直徑為16.0mm，電極頭平面直徑為5.0mm。兩異種鋼板進行雙面單點焊，在拉伸試驗機上對焊接后樣品進行單向拉伸試驗，獲得焊接接頭的抗剪強度。采用線沿焊接厚度方向切割對點焊壓痕中心處刨切，經過研磨和拋光后進行腐蝕處理，對腐蝕后試件的宏觀和微觀組織進行觀察。

2實驗結果及分析

2.1焊接接頭力學性能

抗剪強度是衡量焊接接頭力學性能的重要指標，而影響焊接接頭抗剪強度的重要因素為焊點處的熔核直徑[4]。圖2為熔核直徑和抗剪強度與焊接電流、焊接時間的關系。表2為熔核直徑與抗剪強度的RWMA標準(美國)。可以看出，熔核直徑隨著焊接電流的增大逐漸增大，同時焊接接頭處抗剪強度也逐漸增大，且抗剪強度與熔核直徑呈線性關系。焊接電流過大，會引起飛濺使得抗剪強度減小。依據RWMA標準可以計算厚度為1.5mm時的熔核直徑和焊接接頭抗剪強度。可見，焊接電流超過12kA時，熔核直徑達到C類標準，若繼續增加焊接電流至13.5kA，達到B類標準，但是未能達到A類標準。這是因為淬火后超高強度鋼組織中存在馬氏體，屈服強度較高，進行點焊時塑性變形較為困難，容易出現飛濺，使熔核直徑變小。此外，焊接時間對焊接接頭的熔核直徑和抗剪強度也有一定的影響。熔核直徑與抗剪強度隨著焊接時間的增大而逐漸增大。但是焊接時間過久，焊接接頭的抗剪強度反而下降，這是因為延長焊接時間，熱輸入量增大，會使鋼板熱影響區的組織變粗大，降低焊接接頭的力學性能。

2.2焊接接頭微觀組織

可以看出，焊接接頭中無裂紋、縮孔等缺陷，內部質量較好，且熔核區域內金屬和超高強度淬火鋼板相近。此外，熔核和熱影響區域存在明顯界限。超強度淬火鋼與普通低碳鋼板進行焊接時，低碳鋼板減薄明顯，且隨焊接電流增大而愈發明顯。由于超強度淬火鋼的強度遠高于DC04鋼，故拉伸試驗時點焊接頭從DC04側破裂。圖4為焊接接頭不同部位的金相組織。Si-Mn系鋼板冷軋并經球化退火后，主要為球化滲碳體和鐵素體，經淬火處理后的組織主要為馬氏體，還存在少量貝氏體和鐵素體。DC04低碳鋼板含碳量較低，冷軋組織主要為鐵素體。熔核部分組織主要為馬氏體，呈柱狀枝晶[5]。這主要是由于點焊過程中，熔核中心的加熱溫度過高，超過熔化溫度，冷卻時形成粗大馬氏體。超高強度淬火鋼板熱影響區HAZ-1靠近母材一側為回火馬氏體，而靠近熔核部分為細化馬氏體。熱影響區HAZ-2處為粗大的鐵素體，且沿熔核方向逐漸伸長。

2.3焊接接頭硬度分布

可以看出，焊接接頭熔核處硬度明顯低于母材-超高強度淬火鋼板硬度，高于母材-DC04低碳鋼板硬度。同時，熔核區域硬度隨著焊接時間、焊接電流的增加而逐漸降低，且焊接電流影響較為明顯。在超高強度淬火鋼板的熱影響區域HAZ-1具有明顯的硬度波峰和硬度波谷，在靠近母材區域軟化現象明顯，硬度約為360HV，靠近熔核部位硬化明顯，硬度為530~570HV。進行淬火處理時，受到模具的冷卻速率影響，除獲得淬火馬氏體之外，還獲得少許的鐵素體和貝氏體，使得母材-超高強度淬火鋼板硬度較低；因為熔核邊緣處的熱影響區進行點焊時處于高溫環境，同時冷卻速率較快易獲得細小的馬氏體，故而提高了材料硬度，而高于母材。

3結論

（1）焊接接頭處抗剪強度隨焊接電流和焊接時間的增大而逐漸增大，且焊接電流的影響較為明顯。但是，焊接電流過大或焊接時間過長，會引起飛濺，從而導致抗剪強度降低。（2）超高強度淬火鋼板處的熱影響區存在硬度波峰和波谷，波峰處為細小馬氏體組織，波谷處為回火馬氏體。在普通低碳鋼板處熱影響區存在粗大的鐵素體組織。焊接接頭熔核處為粗大的馬氏體。

作者：劉鷹 單位：廣西農業職業技術學院機電工程系

力學性能論文:監測設備穩定性力學性能研究

1標樣應用情況和效果

1.1硬度標樣的應用情況和效果

冷軋板硬度標樣自2003年8月投入使用，有這些測量項目的各子試驗室每月測量比對1次。連續10多年多個試驗室每月測量的洛氏硬度平均值趨勢如圖1所示：這種標樣經過一段時間自然時效后，硬度指標不會隨著年份發生規律性的上升或下降，呈現沒有時效性的特征。冷軋薄板硬度標樣的一個特殊作用：能夠反映出硬度計砧座的狀況。普通硬度標樣因為厚度大于5mm，通常不能有效反映硬度計砧座的狀況，而硬度計砧座可能是影響薄板試樣測量結果的一個重要因素。根據這個發現可以推論：要想保障測量薄板試樣硬度的性，試驗室必須用厚度接近或小于待測試樣厚度的硬度標樣監測硬度計，而常規的硬度標樣不能滿足監測用于測量薄板的硬度計砧座的需要。統計多個子試驗室多年的實際測量數據，發現這種標樣經過一段時間的時效后，不同標準塊之間的硬度值相差很小，可以采用相同的標稱值，用來比較分析不同硬度計及不同年月測量值之間的系統偏差和變化趨勢。采用這種有相同標稱值的硬度標樣，可以很方便地進行不同子試驗室不同硬度計的日常數據分析和質量控制。借鑒冷軋硬度標樣的經驗，寶鋼檢化驗中心采用與無時效冷軋硬度標樣相同的材料制作了無時效的熱軋硬度標樣，用這種標樣可以測量HRB、HV10、HV1、HBW2.5/187.5、HBW10/1000等不同的硬度指標，不同的子試驗室根據實際需要測量的項目，在測量試樣前先用這種標樣確認硬度計測量結果與歷史數據沒有發生異常變化。多個子試驗室采用這種標樣監測硬度計后，反映出不同硬度計存在的系統偏差，而在采用這種標樣之前各個子試驗室采用不同標稱值的標樣，難以利用日常的監測數據分析評估系統偏差。

1.2拉伸標樣的應用情況和效果

冷軋板無時效拉伸標樣自2004年1月投入使用，2009年獲得了國家標樣證書（國家標準樣品編號和批號：GSB03―2526―2009），寶鋼廠內5個做拉伸項目的子試驗室每月測量比對1次。連續10多年多個試驗室每月測量屈服強度、抗拉強度和均勻延伸率趨勢如圖2所示：這種拉伸標樣沒有時效性，屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm、均勻延伸率Agt、斷后伸長率A、r值（塑性應變比）、n值（應變硬化指數）等指標不會隨著年份發生規律性的上升或下降。拉伸試驗是最常用也是最重要的力學試驗方法。雖然對于拉伸機測力系統、引伸儀和測量試樣橫截面積的量具有直接校驗方法，由于拉伸試驗的測量結果受拉伸試驗的控制方式、速率、試樣對中精度、試驗機軟件等多種因素影響，直接計量都合格的拉伸機測量屈服強度、r值的結果常會存在顯著差異。這種現象顯示在出現這種矛盾的結果時，需要借助拉伸標樣驗證相應的拉伸機整機系統測量結果的性。自從寶鋼檢化驗中心多個子試驗室每月進行拉伸比對工作并結合各子試驗室每天采用控樣進行監控測量后，有效提高了拉伸試驗結果的性。也多次發現了參加比對子試驗室測量出現的異常偏差并查明了原因。另一方面，拉伸標樣也是查明拉伸試驗質量異議中哪個試驗室測量結果偏差大的有效工具。近幾年為了驗證GB/T228.1―2010中存在的問題，采用無時效拉伸標樣和有上下屈服點的拉伸標樣進行各種驗證試驗，發現了歐盟資助的TEN-STAND研究報告和GB/T228.1―2010標準及實施該標準的指南、對該標準進行解讀的文章等材料中存在諸多錯誤[9-11]。為了監測大噸位的拉伸機，借鑒冷軋無時效拉伸標樣的方法，寶鋼檢化驗中心采用與無時效冷軋拉伸標樣相同的材料制作了無時效的熱軋拉伸標樣。這種標樣除了不測量r值外，可以提供屈服強度、抗拉強度、均勻延伸率、斷后伸長率、n值（應變硬化指數）等指標。用這種標樣可以監測大噸位拉伸機的長期穩定性，也可在發生質量異議時用來驗證相關拉伸機測量結果的偏差程度。

1.3V形缺口沖擊標樣的應用情況

寶鋼檢化驗中心自20世紀90年代開始研制V形缺口沖擊標樣用于監測不同沖擊機測量結果系統偏差。2000年中國試驗室國家認可委員會金屬專業能力驗證工作組籌劃開展中國首次沖擊試驗能力驗證工作，調查了解到中國批量制作V形缺口沖擊標樣的只有寶鋼檢化驗中心，故決定采用寶鋼檢化驗中心提供的兩種能量等級的V形缺口沖擊標樣開展第1次沖擊試驗能力驗證。根據能力驗證的數據[12]分析發現，按照ISO148―2（等同GB/T3808）中規定的與標稱值偏差超出10%判斷為不合格，無論以中位數還是平均值作為標稱值（相對真值），都有將近1/3的校驗結果不合格，以中位值為標稱值，90組數據中27組不合格；以平均值為標稱值，90組數據中有29組不合格。對比第2次沖擊試驗能力驗證的數據（216組校驗數據只有1組不合格）[13]，第1次中國沖擊試驗能力驗證的不合格率比第2次中國沖擊試驗能力驗證不合格率高出幾十倍。對比結果顯示出V形缺口沖擊標樣與“弧形缺口”沖擊標樣校驗沖擊機的有效性存在顯著性差異，文獻[14]也表明了“弧形缺口”沖擊標樣不能反映沖擊機剛度和對中性等方面存在的問題，同一臺沖擊機用NIST標樣校驗嚴重不合格而用“弧形缺口”沖擊標樣校驗卻得出“很好”（偏差小于2%）的錯誤結論。2000年中國第1次夏比沖擊能力驗證所用的V形缺口沖擊標樣雖然可以有效反映沖擊機的測量偏差，但是存在輕微時效的缺陷。為了解決沖擊標樣輕微時效的缺陷，寶鋼檢化驗中心2006年用與熱軋無時效拉伸標樣相同的材料制作無時效V形缺口沖擊標樣，分析2007至2014年的測量數據，證明用這種材料制作的V形缺口沖擊標樣確實沒有時效的傾向。

2分析與討論

力學試驗是破壞性試驗，如何監測力學試驗設備整機系統的長期穩定性是困擾力學試驗室的一個難題。研制系列無時效力學標樣，尤其是制作出大批量有相同標稱值的無時效力學標樣，為破解此難題提供了一個有效工具。校驗1臺設備采用1種標樣是否能反映設備的狀況也是長期存在爭論的問題。如果按照與實測試樣相似性的角度去看，因為實際測量的試樣千差萬別，1種標樣似乎不夠。但是需要多少種標樣，依據什么理論或數據來判斷等問題都難以給出有說服力的回答。如果不是按照與實測試樣相似性的角度去看，而從監測力學試驗設備整機測量系統影響測量結果的相關因素思考，可以得出合理的結論。以校驗硬度計為例，影響硬度計測量結果的有硬度計砧座、載荷、壓頭、壓痕尺寸測量系統、保荷時間及加載與卸載速率、計算和顯示軟件諸因素，用一種合適的標準硬度塊能夠反映測量過程中涉及到的各種因素。過去拉伸機測量不同載荷范圍不是用同一個傳感器而是用不同的砝碼，如果說這種拉伸機需要采用不同的標樣校驗似乎有道理；現在拉伸機不同載荷采用同一個傳感器，這種設備在一種設定載荷下能正確測控載荷而在另一種設定載荷下不能正確測控載荷的可能性很小，從工業試驗室實際應用的角度看采用一種標樣監測設備長期穩定性基本能滿足實際需要。按照現行標準的要求，沖擊機應該采用2個能量等級或3個能量等級的V形缺口沖擊標樣校驗，但是從文獻[14]報道的實測數據看，高能量和超高能量V形缺口沖擊標樣校驗嚴重不合格的沖擊機，測低能量V形缺口沖擊標樣卻沒發現問題，由此看來似乎沒必要采用低能量V形缺口沖擊標樣校驗（過去沖擊機采用指針顯示結果，測量分辨力低，可能需要校驗低能量以驗證分辨力；現在沖擊機采用角度傳感器分辨力大幅度提高，能夠保障沖擊機的分辨力）；從文獻[6]報道的兩種能量等級V形缺口沖擊標樣測量結果的相關性看，高能量和超高能量兩種V形缺口沖擊標樣校驗結果基本一致，采用一種高能量或超高能量等級的V形缺口沖擊標樣校驗，應該能夠基本反映沖擊機的問題，也就是說采用一種高能量或超高能量的V形缺口沖擊標樣校驗沖擊機是經濟有效的方法。目前涉及力學標樣的標準，如洛氏硬度標樣、維氏硬度標樣、布氏硬度標樣和V形缺口沖擊標樣的標準都強調標樣定值的溯源性。專業校驗機構用來對測量設備進行間接校驗的標樣，溯源性確實是至關重要的；而一般工業試驗室每年都會請專業計量機構對測量設備進行一次校驗保障溯源性，除此之外，試驗室如果能夠用有相同標稱值無時效的力學標樣監測設備的長期穩定性，即使這種無時效標樣定值過程沒有嚴格符合有證標樣定值溯源性的要求，實際上只要監測時間內包含了至少1次專業計量機構的保障溯源性的校驗，設備狀態的長期穩定性也就間接地保障了設備的溯源性。采用大批量制作的并有相同標稱值的無時效力學標樣，不僅便于監測設備長期穩定性，還便于測算不同設備的系統偏差，尤其有利于測算大量設備的系統偏差并監測它們的長期穩定性。

3結語

大批量有相同標稱值的無時效力學標樣的研制成功，不僅可用于測算力學測量設備的系統偏差，監測設備狀態的穩定性，而且為力學檢測試驗室的質量控制提供了一個有效工具。已制作出大批量有相同標稱值的無時效力學標樣，可用于測算大量力學測量設備的系統偏差，監測設備的穩定性，可用于解決有效進行質量控制的難題，彌補了直接校驗方法的不足。

作者：李和平 單位：上海寶鋼工業技術服務有限公司檢化驗中心技術室

力學性能論文:負壓泵工作下泵膜片力學性能綜述

1負壓泵工作時相應數學模型

1.1泵容器壓強計算數學模型

假定初始狀態時進出氣口和泵膜片空腔處于標準大氣壓P0下，且連桿上軸承的軸線與電機回轉線重合。設泵膜片與底板所圍成的空間為V1，進氣口相連的容器容積為V2，假定泵膜片的等效橫截面為s，偏心軸的小端圓柱的偏心量為h。根據氣體的特性，壓強與密度成正比關系，質量一定時，壓強與體積的乘積恒定。在從進氣口抽氣開始到結束的過程中，泵膜片所在空腔內與抽氣口空腔內氣體的總質量恒定，按照質量守恒定律，計算出及時次抽氣后的容器V2、壓強P1如下式：（V1＋V2＋hs）×P1=（V1+V2）×P0。

1.2泵真空度數學模型

真空度的計算可以通過兩種方式進行，一種是按照進氣口兩端壓強差；另一種是按照給泵膜片提供的驅動來計算真空度。（1）抽氣口的真空度取決于泵膜片體積空間的壓強，在泵膜片空間抽氣過程中，若該空間體積較大時的壓強等于V2內壓強時，停止抽氣，該狀態下即達到真空值。（V1-hs）×P0+V2Pn-1≤（V1+V2+hs）×Pm。（2）根據給泵膜片提供動力的電機來計算，根據結構特點，泵膜片的運動是通過膜片擋板來傳遞的，而膜片擋板的運動是通過連桿繞心軸回轉實現，所以泵膜片運動由膜片擋板驅動。整個膜片擋板和連桿的運動則由電機提供，很顯然，根據力學原理有：Pm×S*×h×K＝M×η。式中，S*為泵膜片當量橫截面面積，Pm為達到真空度時變動空間的壓強，h為偏心量，M為電機輸出軸承受的負載，K為與摩擦、密封性阻尼等相關的系數，η為傳遞效率。考慮到在V2內達到真空值時，V2+hs空間內的壓強和V2內一致，否則V2還沒有達到穩定的真空度值。因此上式Pm就是真空度值，體現了電機承載能力與真空度之間的關系。從上兩種分析真空度值來看，及時種分析方式計算麻煩。即必須要把每一次V2內壓強計算出來與V1+hs內的壓強做一個比較。這不僅會增加很多的工作量，而且還存在計算誤差問題，通過多級迭代后誤差會被放大，很可能嚴重影響到結果的性。采用第二種方式計算比較，只需要計量膜片擋板的面積與芯軸的偏心量。本產品的泵膜片在實際工作過程中由于存在彈性和塑性的變形，以至于其當量橫截面面積無法計算，因此只能通過試驗得到其真空度的值。通過對該產品試驗考核，得到本批次產品在當前工況下的真空度滿足用戶指定的指標30kPa。后續仿真計算所使用的真空度都是用該試驗值進行。

1.3泵力學本構方程模型

由于泵體除閥膜片和泵膜片外都是各向同性材料，泵膜片和閥膜片屬超彈塑性材料，因而屬于瞬態動力學計算范疇。由彈塑性力學有限元法，分析在笛卡爾坐標系下的力學平衡方程：［M］｛u咬｝+［K］｛u｝=｛F｝。式中，［M］為系統質量矩陣，［K］為系統剛度矩陣，｛u咬｝為各節點加速度向量，｛u｝為各節點位移向量，F為載荷向量。由于該負壓泵的材料除泵膜片外皆為彈塑性各向同性，它的本構方程在線彈性條件滿足下疊加原理，在彈性區內應用經典彈性理論的廣義Hooke定律有［1］：

2負壓泵物理模型及計算結果

根據上述分析的工作原理，電機給偏心軸A提供旋轉速度與一定的力矩，本文關心的是泵膜片在工作時的承載情況，因此只需將電機的輸出轉速和負載作為負壓泵與電機接口處偏心軸的輸入即可，要分析的模型如圖3所示。泵體工作時體積變化關鍵在泵膜片（紅色）的形狀改變，泵膜片的A、B平面被泵膜片壓板D和底板B固定，C、D平面固定在泵膜片擋板與連桿E上，隨著連桿的運動而運動，進而實現泵膜片和底板之間空腔的體積變化。按照上述分析，在有限元計算強度過程中需將軸承G內部建立動摩擦接觸對，對通過緊固件連接的地方設置為綁定接觸，以簡化過程和降低計算時間。對軸承和連桿的軸承室接觸處，由于其處間隙配合公差不到一道，故可以簡化計算成綁定接觸。對減震墊施加全約束，偏心軸施加電機的輸出轉速，然后計算出該狀態下的泵膜片應力與位移的分布情況。根據實際工作情況，對泵膜片單獨分析，對泵膜片的A、B、D共3個面及4個圓孔內表面進行固定，計算其前6階振型，如圖5～圖10所示。經試驗驗證，該泵膜片的前6階振型與如上仿真振型趨勢是一致的，因此模態仿真結果是可信的。當前狀況下，初始位置時泵膜片不受到內腔和表面所處的氣壓差，電機輸出端的偏心軸偏心量為3mm，經Workbench仿真計算，得到泵膜片在不考慮腔體內真空度的影響時，該膜片的位移大小分布和應力分布分別如圖11與圖12所示。在不考慮真空度影響條件下，泵膜片的較大位移為3.0096mm，泵與偏心量3.0mm，因此，從位移角度來分析，變形是合理的，泵膜片的位移比偏心量略大一些（0.01mm），這是由于泵膜片在拉伸壓縮后會產生微小的擠壓變形且存在一個離心作用，使得泵膜片的位移量略大于偏心量。膜片運動到垂向較大位置時應力分布極值為30.2kPa，處于泵膜片與膜片底板凸臺結合處。而泵膜片材質為氟橡膠，其用于壓縮空氣的橡膠材料能承載不小于60MPa的工作壓力，因此，當前工況下膜片承載能力能滿足使用。在當前工況條件下，泵膜片的外表面承受一個標準大氣壓，內表面受到30kPa的真空度壓力作用，泵膜片凹槽在氣壓和拉伸變形共同作用下受到垂直向下的位移為2.8mm，較大應力為0.08MPa。由于泵膜片幾何尺寸相對偏心量比較大，泵膜片產生的變形范圍很小，幾乎處于彈性變形區。因此，當偏心量為較大值3mm時，槽內的較大變形為真空度環境下的位移與偏心時的位移進行矢量疊加。按照等比計算，偏心量為3mm時其較大應力為0.28MPa，其值也遠遠小于該材料的較大工作壓力60MPa。

3結論

通過上述計算結果可知，材料為氟橡膠的泵膜片在偏心量為3mm的偏心軸帶動下，使得氣體經過單向閥指定空間產生預定的真空度。其泵膜片承受的較大應力為280kPa，彈性足夠，不會出現破壞現象，能滿足實際工作需求，泵膜片設計尺寸。

作者：楊勝林 張露 楊濤 趙三星 單位：林泉航天電機有限公司 中鐵五局集團建筑公司 武漢科技大學

力學性能論文:彈性氣凝膠的制備及力學性能研究

1宏觀形貌及微觀結構

實驗制備的MTMS氣凝膠為圓片狀,透明度較好。對于厚度為1cm的樣品,其可見光透過率較高可達到58.2%,比Kanamori等[5]制備的彈性氣凝膠略低(其好透過率在40%~85%之間)。究其原因是由于在第二步中直接加入氨水導致MTMS分子質量的原位增長與結構的不均勻性,縮聚物分子質量分布較寬,從而使氣凝膠的透明度下降。此外,高溫酒精超臨界干燥會在干燥過程中發生表面活性基團的反應而改變其微結構,這同樣會引起透明度下降。因為MTMS三官能團結構,氣凝膠骨架表面具有更少的OH和更多的CH3,所以制備的MTMS彈性氣凝膠具有良好的疏水性能,樣品MTMS4與水的接觸角為154°。彈性氣凝膠密度在101~226mg/cm3之間,直徑在3.5~5.6cm之間。制備的傳統SiO2氣凝膠透明度稍低。圖1為樣品的實物照片。表2為樣品的部分物理性能。由SEM照片(圖2a)可以看到,樣品MTMS4具有較均勻的纖維狀納米多孔網絡結構,孔徑大多在50nm以下。而TMOS4為球狀聚合結構(圖2(b))[5]。由比表面積與孔徑分析儀測量樣品的比表面積、孔徑分布和N2吸附脫附曲線,得到樣品MTMS4的比表面積為609m2/g,比樣品TMOS4稍低(樣品TMOS4的比表面積為673m2/g)。圖3(a)為樣品MTMS4的N2吸附脫附等溫線,圖中吸附回線與C類回線較吻合。此類回線表明,氣凝膠孔結構主要是錐形或雙錐形管狀毛細孔。孔徑分布圖(圖3(b))顯示,樣品MTMS4的孔徑主要分布在5~40nm之間,平均孔徑為18.7nm,同時也存在3nm以內的微孔。SEM照片和孔徑分布圖都驗證了MTMS氣凝膠具有納米級孔洞結構。圖4為樣品的紅外圖譜,曲線a為MTMS4的紅外圖譜。1632cm-1和3441cm-1處的吸收峰分別源自HOH和OH的振動。兩峰都較小,說明樣品MTMS4的羥基數量較少。處的吸收峰源自SiC的振動。這兩個較大的峰說明樣品MTMS4中含有較多的甲基。由圖4曲線b可知,樣品TMOS4對應的甲基吸收峰相對較小,這說明樣品TMOS4的甲基相對較少。由圖4曲線c可知,MTMS4經過500℃處理1h后其甲基已基本去除,紅外圖譜變得與TMOS4基本相同。而400℃處理4h后MTMS4的紅外圖譜基本不變。由此可知,MTMS氣凝膠保持甲基基本不變的耐熱溫度在400℃與500℃之間。

2力學性能

由于孔隙率高及膠粒間交聯度低,傳統的SiO2氣凝膠脆性很大,所能承受的壓力非常小。而由MTMS制備出的氣凝膠對壓力的承受力得到很大改善,具有良好的彈性性能。樣品的應力應變曲線如圖5所示。樣品的壓縮測試參數如表3所示。樣品TMOS4出現了脆性斷裂的現象,應變為20%左右時樣品產生了局部開裂;應變達到48%時樣品大部分已經開裂,未開裂的部分被壓實。而MTMS氣凝膠的應力應變曲線沒有出現脆性斷裂的現象,表現出更好的韌性。實驗中測試的四個MTMS氣凝膠樣品能壓縮到60%左右而均未開裂,且壓力釋放后樣品都可以部分回復。100℃左右熱處理一段時間后樣品會繼續回復。其中,密度較大的MTMS3與MTMS2兩個樣品的彈性性能好,熱處理后幾乎反彈。由樣品的應力–應變曲線及壓力實物圖(圖6)可知,樣品MTMS3表現出良好的彈性性能,其壓縮量為60%,壓力釋放后尺寸能夠回復到壓縮前的70%,100℃熱處理30min后回復到壓縮前的93%。MTMS氣凝膠之所以有較好的彈性性能是因為[6]:(1)每個硅原子上最多只有三個硅氧鍵,交聯度低,使得MTMS氣凝膠比傳統的SiO2氣凝膠有更大的韌性。(2)低濃度的硅羥基減少了不可逆的收縮。而傳統的SiO2氣凝膠硅羥基數量較多,當凝膠在常壓干燥過程中收縮時,會進一步形成硅氧鍵,這樣就導致了長期性不可逆收縮,甚至產生不均勻或過大的應力而導致開裂。(3)大量的甲基均勻分布在MSQ氣凝膠的網絡結構中,當受壓發生收縮時甲基會相互排斥,有利于氣凝膠的回復。熱處理后凝膠能夠繼續反彈的原因是:當凝膠被壓縮時,其柔軟而連續的骨架經受大的變形而向孔內折疊,熱處理后骨架將會膨脹,有利于骨架的舒展進而使凝膠反彈圖7為壓縮模式下MTMS氣凝膠的DMA測試曲線,由圖可知,在相同溫度下密度越大儲能模量越大。在常溫下(35℃),在測試的四個樣品中,MTMS5的儲能模量最小(0.71MPa),MTMS2較大(2.1MPa)。在常溫到230℃之間,氣凝膠材料中物理吸附的水分子逐漸脫去,網絡結構基本保持不變,樣品的彈性模量變化幅度較小。其中,溫度低于150℃時有小幅增加,在150~230℃之間略有下降。這與Tanδ在180℃附近有一較大的峰相吻合,該峰表明在這個溫度附近材料經歷了軟化的過程[8]。溫度高于230℃時,材料內相鄰的殘余硅羥基和硅烷氧基會進一步縮合,生成新的硅氧鍵,增強了氣凝膠的網絡結構,使樣品的儲能模量都有大幅度的增加,剛性增強。所測樣品在溫度達到350℃時,儲能模量變為常溫下的2~3.5倍。其中,MTMS3常溫下的儲能模量為1.5MPa,而350℃下的儲能模量增加到4MPa。

3熱學性能

圖8為樣品MTMS2與TMOS4的DSC/TGA曲線。對于樣品TMOS4,150℃之前有一個較大的失重(大約6%),這主要是由材料內水分子的脫附引起的[9]。第二個顯著失重發生在250~325℃之間,失重約為3%,這是由于材料內骨架上殘留的烷氧基被氧化并替代為質量更輕的羥基[10]。溫度高于325℃時,由于烷氧基繼續氧化及硅羥基之間的縮合[11],樣品繼續失重約5%。溫度達到600℃后,樣品質量趨于穩定。對于樣品MTMS2,溫度低于250℃時,熱失重很小。在250~325℃之間,失重約為1.5%,小于TMOS4在這溫度區間的失重。這是由于MTMS三官能團的結構使殘留的烷氧基更少。樣品MTMS4最顯著的失重發生在437~575℃之間,失重約7%。對應的熱流曲線在這溫度區間連續出現了七個尖銳的峰。從前面的紅外分析中已經得出,MTMS氣凝膠保持甲基基本不變的耐熱溫度在400℃與500℃之間。由紅外圖譜并對照MTMS2與TMOS4熱失重曲線,可以得出,437~575℃之間較大的失重源自MTMS材料內骨架上大量甲基由外層到內層的逐步分解。并可以進一步確定,MTMS氣凝膠保持甲基基本不變的耐熱溫度在440℃左右。實驗測得樣品的熱導率如表2所示。當密度大于100mg/cm3左右時,MTMS氣凝膠常溫下的熱導率隨著密度的降低而減小。其中MTMS4的熱導率為0.028W/mK,同TMOS4的熱導率相差不大(TMOS4的熱導率為0.027W/(mK))。這說明MTMS氣凝膠同傳統的SiO2氣凝膠一樣,具有良好的保溫隔熱性能。氣凝膠總熱導率為固態熱導率、氣態熱導率、輻射熱導率和固體與氣體間耦合熱導率之和[12]。制備的MTMS氣凝膠之所以有低的熱導率是因為:(1)骨架顆粒較小,由纖細的納米網絡結構組成,因此其固態熱導率非常小。(2)其孔徑主要分布在10~30nm之間,小于空氣中主要分子的平均自由程(空氣中主要成分N2、O2等分子的平均自由程都在70nm左右)。這樣孔隙內的氣體分子很難發生碰撞,因此當熱量傳遞時產生的氣態熱傳導很小。(3)在常溫常壓下輻射熱導率對總熱導率的貢獻很小。綜合以上三個因素可知,該氣凝膠的總熱導率較低。

4結論

以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)為硅源、水為溶劑,采用酸堿兩步法和酒精超臨界干燥法制備出了接觸角為154°的透明、塊體氣凝膠。其熱導率低(可達到0.028W/(mK)),具有良好的保溫隔熱性能。均勻分布著大量甲基的納米網絡結構具有良好的機械性能,可使MTMS氣凝膠在常溫下具有較大的彈性和抗壓能力(壓縮60%后可回復到原長的78%,經熱處理后反彈到原長的94%),而這正是傳統的SiO2氣凝膠所不具備的。其儲能模量在常溫到230℃之間比較穩定,在230~350℃之間隨著溫度的升高而顯著增加。該凝膠在空氣中的耐熱溫度為440℃左右,繼續升溫時材料中的甲基將逐步氧化分解。利用方法能較簡單地制備出力學性能較好的氣凝膠,有利于氣凝膠的工業化生產應用。

作者：祖國慶 沈軍 鄒麗萍 王文琴 連婭 張志華 單位：同濟大學 上海市人工微結構材料與技術重點實驗室