论文题目: 钢/锌双金属抗震复合材料的设计、制备和性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 包晓军
导师: 刘勇兵
关键词: 复合材料,复合铸造,抗震性能,数值仿真,耗能,阻尼,界面性能
文献来源: 吉林大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文提出开发Fe/Zn抗震复合材料的构想,并研究了开发Fe/Zn抗震复合材料的实验基础,提出了Fe/Zn抗震复合材料的力学模型及其设计方案。为验证Fe/Zn复合材料具有抗震耗能的作用,采用有限元软件ANSYS对材料的性能作了数值仿真。选取Q235钢和纯锌两种金属材料通过铸造法制备Q235钢/锌复合材料。利用滞后环的面积重点研究钢/锌复合材料的阻尼性能;通过室温拉伸和循环试验研究钢/锌复合材料的力学性能;采用SEM分析、EDS分析及显微硬度试验研究钢/锌复合材料界面层的显微组织,并探讨了钢/锌复合材料的阻尼机制及失效机理。对Fe/Zn复合材料,本文采用瞬态时程分析的方法,计算了Fe/Zn复合材料在地震波荷载作用下的应力-应变曲线。其中,Zn在地震波荷载作用下进入塑性阶段,形成了滞回环,证明Fe/Zn复合材料有抗震耗能的作用,而Fe部分还处于弹性工作范围,保证结构不发生破坏,并为结构提供足够的恢复力。在室温下,钢/锌复合材料的拉伸曲线位于两种组成相材料之间;拉伸速度对钢/锌复合材料的拉伸曲线影响不大,但随锌体积百分含量的增加,钢/锌复合材料屈服强度降低,并存在循环硬化现象。通过对Q235钢和钢/锌复合材料滞后环的面积对比分析可知:在一定的应变下,钢/锌复合材料滞后环的面积较大,因而阻尼性能优于Q235钢,超过此应变,其阻尼性能低于钢。Q235钢/锌复合材料的界面层是Fe、Zn两种元素相互扩散而形成,是由铁锌化合物组成的脆硬相。当受外力载荷时,界面层首先是微裂纹萌生和扩展的地方。通过上述测试,由Q235钢和锌组成复合材料为阻尼材料的发展与应用提供了可供参考的数据与依据。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 地震及其危害
1.1.1 地震的产生
1.1.2 地震能量的传递
1.2 国内外抗震情况
1.2.1 世界多震国家抗震现状
1.2.2 我国抗震现状
1.3 材料在抗震中的作用
1.3.1 建筑破坏的直接因素
1.3.2 建筑结构的整体性和延性
1.4 国内外在抗震钢结构材料方面的研究成果
1.5 抗震复合材料的失效分析
1.5.1 复合材料失效机理分析
1.5.2 地震时建筑结构钢材的失效原因
1.5.3 抗震设计思想的演化与发展
1.6 本文拟解决的问题
第二章 Fe/Zn抗震复合材料的设计
2.1 引言
2.2 Fe/Zn抗震复合材料设计的理论基础
2.2.1 抗震材料结构设计准则
2.2.2 Fe/Zn抗震复合材料的复合理论
2.3 Fe/Zn抗震复合材料的实验基础
2.4 Fe/Zn抗震复合材料的力学模型的构造与建立
2.4.1 Fee/Zn抗震复合材料的设计
2.4.2 Fe/Zn抗震复合材料的力学模型
2.5 本章小结
第三章 Fe /Zn抗震复合材料的数值模拟与抗震特性分析
3.1 Fe/Zn抗震复合材料的数值仿真
3.1.1 地震波的选取
3.1.2 数值仿真模型的建立与网格划分
3.1.3 材料特性
3.2 Fe、Zn和Fe/Zn三种材料抗震性能数值分析
3.3 地震载荷作用下Fee/Zn抗震复合材料的性能
3.3.1 Fe/Zn抗震复合材料的塑性变形与延性
3.3.2 Fe/Zn抗震复合材料的恢复力模型
3.3.3 Fee/Zn抗震复合材料的滞回特性
3.3.4 Fe/Zn抗震复合材料的耗能性能分析
第四章 钢/锌复合材料制备与性能评价方法
4.1 实验材料
4.2 实验样品的制备
4.3 样品表征
4.3.1 X射线衍射分析
4.3.2 光学显微镜
4.3.3 扫描电镜和能谱分析
4.4 性能测定
4.4.1 硬度测定
4.4.2 拉伸和循环性能测定
4.5 钢/锌复合材料阻尼性能评价
4.5.1 能量法
4.5.2 自由衰减法
第五章 Q235 钢/锌复合材料的界面组织与性能
5.1 引言
5.2 Q235 钢/锌复合材料界面层组织
5.3 Q235 钢/锌复合材料界面层的XRD
5.4 Q235 钢/锌复合材料界面层的结合机理
5.5 Q235 钢/锌复合材料界面层显微硬度
5.6 Q235 钢/锌复合材料在循环应力下的行为
5.6.1 界面结构与界面缺陷
5.6.2 Q235 钢/锌复合材料裂纹萌生
5.6.3 Q235 钢
5.7 Q235 钢/锌复合材料失效机理
5.8 Q235 钢/锌复合材料的拉伸断口
5.9 本章小结
第六章 Q235 钢/锌复合材料的阻尼性能
6.1 引言
6.2 Q235 钢
6.2.1 Q235 钢/锌复合材料的应力-应变曲线特征
6.2.2 拉伸速度和锌体积含量的影响
6.3 Q235 钢 /锌复合材料的循环变形
6.3.1 Q235 钢和钢/锌复合材料的循环图
6.3.2 Q235 钢和钢/锌复合材料的滞后环的对比分析
6.4 衰减阻尼
6.5 本章小结
第七章 主要研究结论
参考文献
附录攻读博士学位期间完成的研究项目和发表的学术论文
摘要
ABSTRACT
致谢
发布时间: 2006-01-17
参考文献
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