由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性, 通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构. 本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法, 构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型. 结合并行计算进行直接拉伸数值试验, 研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响. 研究结果表明: 加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹, 随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹, 并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响. 随着孔隙率增高, 试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小. 拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征, 同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度

为提高单晶硅纳米切削表面质量的同时, 不影响加工效率, 以扫描电子显微镜高分辨在线观测技术为手段, 在真空环境下开展了单晶硅原位纳米切削实验研究.首先, 利用聚焦离子束对单晶硅材料进行样品制备, 并对金刚石刀具进行纳米级刃口的可控修锐.然后, 利用扫描电子显微镜实时观察裂纹的萌生与扩展, 分析了单晶硅纳米切削脆性去除行为.最后, 分别采用刃口半径为40、50和60 nm的金刚石刀具研究了晶体取向和刃口半径对单晶硅脆塑转变临界厚度的影响.实验结果表明: 在所研究的晶体取向范围内, 在(111)晶面上沿[111]晶向进行切削时, 单晶硅最容易以塑性模式被去除, 脆塑转变临界厚度约为80 nm.此外, 刀具刃口半径越小, 单晶硅在纳米切削过程中越容易发生脆性断裂, 当刀具刃口半径为40 nm时, 脆塑转变临界厚度约为40 nm.然而刀具刃口半径减小的同时, 已加工表面质量有所提高, 即刀具越锋利越容易获得表面质量高的塑性表面

胀断连杆是汽车精密传动用高端产品，需具高强高韧和裂解加工脆性解理断裂特性。连铸化生产高碳易切削胀断连杆用微合金非调质钢是当前的发展方向。基于大方坯连铸生产典型工艺及其铸态组织、成分均匀性分析，研究了胀断连杆加工过程常见断口形貌不合的钢坯遗传性因素。以常用德系C70S6钢为例，采用250 mm×280 mm断面弧形连铸机，解析其在一定结晶器电磁搅拌条件下所浇铸大方坯的铸态低倍结构和枝晶形貌，并分析其不同晶区的成分分布特点。结果表明，当前连铸条件下大方坯中心缩孔和后续热轧棒材探伤合格率可控，但铸坯初凝坯壳凝固前沿发生明显的C、S负偏析白亮带区及其柱状晶偏转现象。金相试样图像分析和相场法凝固模拟表明，铸坯中柱状晶具有逆流生长特征，其偏转角是一次枝晶尖端向旋流方向逆向生长的结果。自铸坯角部至宽、窄面中心，实测柱状晶区的一次枝晶偏转角约在?7°到27°之间。利用X射线能谱分析（EDS）进一步检测了钢中主要合金元素Si、Mn、Mo在铸坯不同晶区的分布，揭示了其铸态偏析特征与差异性。据此，探讨了这种铸态组织和成分偏析对后续热轧棒材和连杆成品组织的遗传性，以及对其胀断加工断口不合的影响，可为源头铸态质量的控制提供依据

对具有重要工程应用价值的Cu?5%Sn合金进行激光选区熔化（SLM）成形，在激光功率160 W、扫描速度300 mm·s?1、扫描间距0.07 mm条件下，合金样品相对密度可达99.2%，熔池层与层堆积密实，表面质量良好。研究发现所获合金具有非平衡凝固组织特征，其中以α-Cu(Sn)固溶体相为主，且涉及具有超结构的γ相、δ相。显微形貌主要由柱状晶与富锡网状组织构成，伴随有不同尺度界面Sn元素偏析及晶界、晶内纳米尺寸超结构合金相颗粒析出。所获合金的力学性能与同成分铸态合金或较低Sn含量SLM合金相比得到显著强化，表面硬度可达HV 133.83，屈服强度326 MPa，抗拉强度387 MPa及断裂总延伸率22.7%

颗粒与基体之间难以均匀稳定的混合以及二者的界面结合强度较差是限制颗粒增强金属基复合材料制备以及推广应用的共性关键问题，而目前的主要解决措施\预制体法\以及\润湿化预处理技术\又存在生产效率较低、制备成本较高等问题.基于此，在液态模锻的基础上，提出了不做预制体、也不进行润湿化预处理的制备颗粒增强金属基复合材料的新技术——\随流混合＋高压复合\技术，并采用此方法成功制备了复合效果良好的ZTA/KmTBCr26抗磨复合材料.研究了ZTA/KmTBCr26复合材料的微观组织、硬度以及冲击性能，发现复合材料内部颗粒分布比较均匀，颗粒与KmTBCr26基体的结合紧密，属于微机械啮合.冲击试验结果表明，复合材料的冲击韧性与单一金属基体相比显著降低，冲击断口形貌显示材料的断裂是沿颗粒内部扩展的，没有出现颗粒的整体脱落，说明陶瓷颗粒与金属基体具有比较高的结合强度.考察了ZTA/KmTBCr26复合材料与单一KmTBCr26的干摩擦磨损性能，结果表明，低载荷条件下ZTA/KmTBCr26复合材料的磨损性能是KmTBCr26的1.82倍，而高载荷条件下复合材料的磨损性能则是KmTBCr26的3.3倍

随着汽车保有量的提高，能源消耗和环境问题对汽车用钢提出了轻量化的要求。目前正在发展的第三代汽车用钢的研究思路是将加入轻量元素以“轻”和增强增塑以“薄”相结合。Fe?Mn?Al?C系中锰钢作为第三代汽车用钢的主要组成部分，是当今的研究热点之一。本文总结了近些年国内外Fe?Mn?Al?C系中锰钢的研究文献，从生产成本、力学性能等方面介绍了Fe?Mn?Al?C系中锰钢的优势。从成分设计、工艺设计、组织特征、变形及断裂机制等多个方面出发，对文献进行分析，总结出了合金成分、工艺路线和组织特征对性能的影响规律。阐述了奥氏体层错能及其稳定性对中锰钢变形机制，尤其是相变诱导塑性（TRIP效应）的影响规律。最后对目前Fe?Mn?Al?C系中锰钢研究过程中存在的争议问题进行了总结，展望了未来的发展趋势，以期为中锰钢的后续研究和实际生产提供参考

为了研究煤自燃发火气体产物与煤分子官能团之间的内在联系，进一步揭示煤自燃发火过程的微观变化特性，利用程序升温实验装置和原位红外光谱分析实验系统，得出了气体产物生成量和活性官能团含量之间的关联性。结果表明：CO、C2H4等指标气体浓度伴随温度升高显示为抛物线模式增长；活性官能团中，随着温度的不断升高，脂肪烃含量先持续增大，之后开始逐渐下降，C=C双键含量不断下降，含氧官能团含量先趋于稳定后逐渐增加。根据指标气体浓度变化，获得了高温反应过程中的5个特征温度点，进一步将其分为临界温度阶段、干裂–活性–增速温度阶段、增速–燃点温度阶段和燃烧阶段4个阶段，并对三个高温氧化阶段进行关联性分析发现：在临界温度阶段，影响CO、CO2、CH4和C2H6气体释放的主要活性官能团是羰基；在干裂–活性–增速温度阶段烷基链和桥键发生大量断裂，影响气体产物的主要活性官能团是脂肪烃和羰基；在增速–燃点温度阶段气体浓度与羰基和羧基等官能团呈负相关。得出干裂–活性–增速温度阶段是高温氧化过程中的危险阶段，需在该阶段前对氧化反应进行控制，以减少人员和物质损失

针对裂隙性储层水力压裂行为中出现的围岩维护、增透效率与地下水害防治等实际问题，本文对多场多相耦合作用下起裂压力控制机制，以及压裂性评价展开了深入研究。首先分析了射孔集中力对原始应力场的改造作用；其次，考虑压裂液在储层原生裂隙中的渗透作用；最后，基于断裂力学强度准则建立了水平井起裂压力计算模型。根据模型分析了储层裂隙场几何参数对起裂压力的控制作用，提出了裂隙场特征参数的概念。研究结果表明，水平井水力压裂是流固多相在射孔应力场、压裂液渗流场以及储层裂隙场耦合空间内相互作用过程，裂隙场特征参数对起裂压力的大小起着主导控制作用，其中最大控制因素为储层隙宽，且当储层隙宽在200～700 μm区间内时，水力压裂对改善其渗透性能才有实际意义，从而解决了裂隙性储层起裂压力的定量化与压裂性评判问题。经实例计算与对比发现，苏里格气田东区H8段的砂岩储层，起裂压力的理论值与实测值契合度较高，压裂后的产能也十分理想，从而验证了模型的正确性，可以为水平井压裂施工提供理论依据

疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言,非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测,并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究,利用直流电位法测量实验中的裂纹长度,得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测,通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价,同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系,并进行寿命预测.研究表明:声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估,声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段,这可以为工程人员提供失效预警;声发射波形和频谱分析表明,噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长,信号包含的频率成分比较复杂,而裂纹扩展信号是突发型信号,衰减较快,信号频率主要集中在80~170 kHz范围内;声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系,裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义

针对传统可溶性压裂球材质存在的缺点，采用铸造法制备性能优异的可溶性镁合金，系统研究了铝含量对可溶性镁合金组织、溶解性能及力学性能的影响.结果表明：可溶性镁合金组织由α-Mg和β-Mg17Al12相组成，随着铝含量的增多，组织中β-Mg17Al12相数量增多，呈连续网状分布于α相晶界处，并且α晶粒也变得粗大.可溶性镁合金在氯化钾（KCl）溶液中可自行溶解，且随KCl浓度的升高，溶解速率变大，在质量分数为3%的KCl中溶解性能最佳.随着铝含量的增加，可溶性镁合金的溶解速率变大，室温下溶解速率最高可达7.42 mg·h-1·cm-2.溶解产物粒度分析结果显示，中值粒径D50为38.691 μm，溶解产物物相为Mg17Al12和Mg （OH）2.可溶性镁合金的抗压强度最高可达430 MPa，变形量为3.0%时试样断裂，随着铝含量的增加，可溶性镁合金的塑性降低