裂纹探深仪原理

复合材料的微裂纹和断裂力学一直是困扰科研人员的难题， 对于类似金属材料的断裂力学研究已经有了丰硕的成果；但是复合材料的断裂力学机理和过程， 一直没有较好的测试技术和设备商品化， 贝斯特公司的研发人员通过多年的科研经验和创新的工作， 开发了碳纤维复合材料微裂纹动力学测试技术， 通过该技术可以在线原位扫描样品在外力作用下，内部裂纹的扩展机理和动力学；为科研人员提供一臂之力。 此系统主要由Nano系列动态试验机和原位扫面测试系统、多通道控制系统和专业软件组成。 涡流检测原理：通过感应磁场和微裂纹相关性测试碳纤维复合材料的裂纹动力学。 由于导电材料不均匀会导致磁导率、电导率不同，使涡流流通路径发生改变，导致涡流的大小、相位发生改变。如果被检测件存在缺陷(如表面裂纹)，则会阻碍涡流流过，因涡流只能存在于导体材料中，故导致涡流流通路径的畸变，最终影响涡流磁场，使得涡流强度降低。 构造配置： 技术参数：* 400x400毫米扫描区域* 探针直径1 & 3 mm* 速度Up to 100 mm/s, 同步数据采集up to 5 kHz* 样品厚度 t 8 mm* 3-轴位置控制 X, Y旋转编码器； Z 激光位置反馈* 作为独立的完全集成 “工作站”测试系统控制器。独立的扫描应用* 单通道输出信号，整流直流(0-10V)* X, Y &与负载、行程、应变等信号的记录* 轴向和横向的合规性应用：

可以利用维氏硬度压痕裂纹计算材料的断裂韧度，尤其适合表征硬脆材料的断裂性能。学者提出了很多半经验半定量的关系式。裂纹主要有巴氏（Palmqvist或径向）和中位（Median）裂纹两种形式，有些公式适用于特定的裂纹形式，有些公式对两种（Both）裂纹形式都适用。微米硬度实验设备简单，测试方便，分析直接，不仅在工程实践中有广泛应用，也是评估材料断裂韧度的有效工具。断裂韧度作为衡量材料抵抗裂纹扩展能力的力学性能指标通常用临界应力强度因子KⅠC表示，单位为MPam0.5。字母K为应力场强度因子，反映的是裂纹尖端区域应力场强弱；字母C指的是裂纹扩展的临界情况；下标罗马数字Ⅰ是指裂纹扩展形式为张开型，脆性材料的裂纹扩展类型为Ⅰ型。测量材料KⅠC的方法主要有：山形切口梁法(C. N. B)、单边预裂梁法(S. E. P. B)、表面弯曲裂纹法(S. C. F)、单边切口梁法(S. E. N. B)、单边V形切口梁法(S. E. V. N. B)、短V形切口杆法(S. R)、双扭法(D. T)、双悬臂梁法(D. C. B)、微米划痕法、纳米压痕法和维氏压痕法等。S. R、D. C. B和S. E. P. B法的测试试样难生产、成本高，难以广泛使用；S. E. N. B、S. E. V. N. B和C. N. B法加工试样缺口较困难；D. T法试件的几何尺寸会对测量值产生影响；S. C. F法必须要去除足够深度的表面层来消除残余应力场，才能保证KⅠC不被高估；微米划痕法需要考虑压头的磨损以确保测试结果的准确性；而压痕法具有制备试样简单、测试效率高、以及综合成本低等优点，已被广泛应用于表征陶瓷材料、硬质合金和玻璃材料的断裂韧度。虽然基于Griffith-Irwin平衡断裂力学的压痕法可以反映材料断裂的特征，有效表征材料的断裂韧度，但是使用压痕法确定KⅠC仍然存在不足，依然有争论，比如：诸多半经验半定量的公式在实际应用中受到裂纹模式(径向，中位，横向等)多样复杂的影响，计算的KⅠC结果不可靠；不适用于低泊松比的材料。如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式和载荷，是当前利用压痕裂纹法表征材料断裂韧度亟需解决的问题。各种依据维氏硬度压痕裂纹长度计算断裂韧度的表达式列于表1，对于不同的裂纹模式有不同的表达式。裂纹主要有两种类型，见图1：一种是基于半椭圆型的中位裂纹(Median crack)；另一种是基于半月状的巴氏裂纹(Palmqvist crack)或径向裂纹(Radial crack)。可以基于曲线拟合的方法得到同时适用于两种(Both)裂纹模式的表达式。典型硬脆材料的压痕裂纹见图2，需要测量压痕的接触半径a和裂纹长度c，可以计算得到l=c-a。维氏硬度HV可以由载荷F除以残余压痕面积AV得到：式中，AV考虑了压痕的倾斜表面(sin68°可以由压头形状获得)，而不是压痕的投影面积；d (= 2a) 是压痕两个对角线长度的平均值；当F和d的单位分别是mN和μm时，维氏硬度的单位是GPa。值得注意的是工程上使用的维氏硬度没有单位，而且相关标准里面也没有单位，这不利于各种测试方法的比较，无法有效服务于科学研究。可见，即使维氏硬度如此基础、简单、成熟，仍然有待进一步发展。由于仪器化压入的兴起，压入硬度HIT是根据投影面积定义，并且努氏硬度HK也是根据投影面积计算，传统的维氏硬度HV可以通过投影面积转换成梅氏硬度(Meyer hardness)HMV(=2F/d2), 便于各种硬度之间的比较。表1中的维氏硬度HV也可以转换成HMV。表 1 利用维氏硬度HV计算材料的断裂韧度Kc[1]注: ϕ = 3, β2 = 0.059[15], Φ = -1.59-0.34ξ-2.02ξ2+11.23ξ3-24.97ξ4+16.32ξ5, ξ = lg(c/a). E是材料的弹性模量. Hv可以在每个载荷下多次测量取平均值，作为某一载荷下的Hv.图 1 维氏硬度压痕裂纹模式示意图图 2 典型硬脆材料的维氏硬度压痕裂纹[1, 15, 16]作者简介刘明，福州大学机械工程及自动化学院教授，全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分技术委员会金属材料微试样力学性能试验方法工作组（SAC/TC183/SC4/WG1）委员，ISO 14577系列国际标准制修订国内工作组成员。1985年出生于哈尔滨市，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院本科、硕士，2012年12月获肯塔基大学（美国）材料科学与工程专业博士学位，法国巴黎高科矿业工程师学校材料研究所博士后，华盛顿州立大学（美国）博士后。2015年4月入职福州大学机械工程及自动化学院机械设计系力学教研室，获评福建省闽江学者特聘教授、福州大学旗山学者海外人才、福建省高层次境外引进C类人才，主要研究领域为微观力学及仪器化压入划入测试方法。作者邮箱：mingliu@fzu.edu.cn QQ：290716672 微信：hasanzhong参考文献[1] M. Liu, D. Hou, Y. Wang, G. Lakshminarayana, Micromechanical properties of Dy3+ ion-doped (Lu Y1-x)3Al5O12 (x = 0, 1/3, 1/2) single crystals by indentation and scratch tests, Ceramics International, 49 (2023) 4482-4504.[2] K. Niihara, A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 2 (1983) 221-223.[3] Z. Laiqi, H. Yongan, H. Lei, L. Jun-pin, Determination of empirical equation of fracture toughness for Mo5SiB2 alloy by indentation method, Trans. Mater. Heat Treat., 38 (2017) 178-183.[4] M. Laugier, New formula for indentation toughness in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 6 (1987) 355-356.[5] D. Shetty, I. Wright, P. Mincer, A. Clauer, Indentation fracture of WC-Co cermets, J. Mater. Sci., 20 (1985) 1873-1882.[6] B.R. Lawn, M. Swain, Microfracture beneath point indentations in brittle solids, J. Mater. Sci., 10 (1975) 113-122.[7] K. Tanaka, Elastic/plastic indentation hardness and indentation fracture toughness: the inclusion core model, J. Mater. Sci., 22 (1987) 1501-1508.[8] B.R. Lawn, E.R. Fuller, Equilibrium penny-like cracks in indentation fracture, J. Mater. Sci., 10 (1975) 2016-2024.[9] A.G. EVans, E.A. Charles, Fracture toughness determinations by indentation, J. Am. Ceram. Soc., 59 (1976) 371-372.[10] K. Niihara, R. Morena, D. Hasselman, Evaluation of KIc of brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent ratios, J. Mater. Sci. Lett., 1 (1982) 13-16.[11] G. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn, D. Marshall, A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements, J. Am. Ceram. Soc., 64 (1981) 533-538.[12] C. Terzioglu, Investigation of some physical properties of Gd added Bi-2223 superconductors, J. Alloys Compd., 509 (2011) 87-93.[13] J. Lankford, Indentation microfracture in the Palmqvist crack regime: implications for fracture toughness evaluation by the indentation method, J. Mater. Sci. Lett., 1 (1982) 493-495.[14] J.E. Blendell, The origins of internal stresses in polycrystalline Al2O3 and their effects on mechanical properties, Massachusetts Institute of Technology, 1979, pp. 1-47.[15] M. Liu, Z. Xu, R. Fu, Micromechanical and microstructure characterization of BaO-Sm2O3–5TiO2 ceramic with addition of Al2O3, Ceramics International, 48 (2022) 992-1005.[16] 刘明, 侯冬杨, 高诚辉, 利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性, 力学学报, 53 (2021) 413-423.

截止2013年12月17日，长春机械院慢拉伸应力腐蚀试验机组在中船重工725所得到了成功应用，725所成功获得第一批舰船材料应力腐蚀试验对比数据，该数据复合科研预期。慢拉伸预裂纹（恒载荷）应力腐蚀试验机主要用在检测、研究金属材料在极慢的拉应力和腐蚀介质环境双重作用下的力学性能。还可以用于模拟受恒拉伸力零件在腐蚀环境中的抗腐蚀情况，进行恒载荷预裂纹应力腐蚀试验，检测、研究金属材料在恒拉伸应力和腐蚀介质环境双重作用下的破坏性能。该试验机主机加载机架采用TPHS式双立柱框架组合结构，传动平稳、反应灵敏，速度范围极宽，既能实现以极慢的拉伸速度对试样加载，又具有较快的速度，便于调整试验空间装夹试样。整机采用高精度电子测量，机电伺服加载、数字控制器及计算机控制，具有技术先进、精度高、性能可靠，长时稳定等特点。该试验机配用我院独有的筒形腐蚀容器设计，容器可加热水浴，容器内腐蚀介质温度可控，试验时试样贯穿筒形腐蚀容器，试验操作方便、数据精确。中船重工725所是我国专业从事舰船材料研制和工程应用研究的军工研究所，拥有船体结构材料、有色金属材料、非金属材料、腐蚀与防护技术、特种材料、焊接工艺、自然环境试验等多个重点研究领域，是我国舰船装备发展的中坚力量。目前长春机械院与中船重工725所开展的战略合作，已经结出硕果，这必将推动我国船舶事业的发展；希望长春机械院还要加强院所合作，为维护我国海洋权益，把我国建设成一个新型的海洋大国而贡献自己的力量。关注:【长春机械院】微信号:cimachtest

一个生产部件和组件的制造商向一个供应商订购了一批SS304不锈钢管材。制造商要对1800件管材进行切割和机械加工，然后再通过焊接方式将这些管材制造成更大的子装配件。不久，管理人员在无损检测（NDT）过程中发现了焊缝中有裂纹。接下来，立即叫停所有的生产过程，以对生产质量进行控制，直到查出问题的原因。调查的内容包括根据他们的标准操作程序（SOP）核查焊接保护气体、焊丝和焊接机的设置情况。但是，接着对焊缝的检测仍然表明存在着裂纹。质量控制经理建议对原始管材的材料证书进行核查。不出所有人所料，证书上清楚地表明这些管材就是他们所订购的SS304不锈钢管材。他们还在系统内部进行了其它方面的核查，但是一直没有找到问题的原因。 质量控制经理一筹莫展。还有什么情况他们没有核查？结果发现，他们实际上一直没有核实所接收的管材是否是SS304不锈钢管材。如果在接收这批管材时使用手持式X射线荧光（XRF）技术对货物进行核查，他们就会发现所收到的货物实际上是SS303不锈钢，这个牌号的不锈钢与SS304不锈钢的不同之处是多了硫元素，因而更容易进行机械加工处理，但是在焊接过程中却非常容易出现高温裂纹。如果在收到管材时对管材进行核查，以确保管材与材料证书所述的情况相符，则可以避免出现这种问题。而现在，制造商不仅被迫花费了很多宝贵的时间寻找问题的原因，而且还留下了一些已经开始制造，但是却无法使用的产品。不过，最终制造商还是很幸运，因为他们在出货之前发现了这个问题。如果他们所制造的部件在使用中出现了故障，则问题可能会变得更为严重。 如果这个制造商采用了整体验证计划对来料进行核查，则几乎可以消除加工错误材料的风险。那么，我们为什么会在制造过程中发现使用了错误的材料呢？这是因为每次材料运输时，无论是在工厂、库存商的仓库或服务中心，还是在制造商的仓库，或者在任何制造过程中，都会出现混料的风险。不正确的材料证书、不正确的标记，以及较差的追溯性都会导致材料出现混淆。 要想改变这种不良状况，在每个阶段对材料进行验证至关重要。手持式XRF分析仪就是一种广受欢迎的验证工具。我们的Vanta分析仪有助于制造商在制造过程的每个阶段，验证将要使用的材料是否是希望使用的材料。Vanta分析仪具有检测迅速、坚固耐用的特性，不仅可以在几秒钟之内提供准确的合金识别信息，而且可以在工业环境中持续正常地工作。借助选配的无线连通功能，用户还可以将分析仪连接到奥林巴斯科学云系统，从而可以轻松地将分析仪集成到任何智能制造设施中。奥林巴斯手持式X射线荧光分析仪可对包括镁和铀在内的很多元素进行快速无损分析，可检测出的含量从百万分率到100%。分析仪在检测速度、检出限及可检元素的范围方面具有优质性能。这款分析仪的外壳符合工业设计标准，极为坚固耐用，可以在恶劣的环境中正常工作。新型Vanta系列仪器性能改进：坚固耐用，高效多产仪器配备SD存储卡可使用WI-FI，蓝牙(Bluetooth)适配器进行数据传输可使用USB闪存盘进行方便快速的数据传输Axon技术提高分析结果的精准性IP 55/54—防尘防水坠落测试(MIL-STD-810G)探测器快门闸保护及聚酰亚胺网眼保护

锂电池钴酸锂正极材料中的孪晶界引发的裂纹失效圆派科学内容简介钴酸锂是目前应用最为广泛锂离子电池正极材料之一，尤其是在便携设备和移动电子设备中的锂离子电池中，这得益于其优越的体积能量密度和稳定的循环性能。然而，其实际所用的能量密度仅占其理论能量密度的一半，仍然有很大的发展提升空间。提高能量密度最常用的办法是提升充电电压，利用更多的锂源，但这样做会迅速加快钴酸锂正极材料的失效，造成电池性能快速衰退，以及安全性问题。这其中的衰退机制繁多而且复杂，裂纹就是其中之一。本报告中，将介绍我们利用电子显微镜相关的分析技术，研究裂纹在钴酸锂正极材料中晶界处的形核和扩展机制，并探讨循环条件不同时，裂纹产生机制的相同和不同之处。为深入理解裂纹，这一普遍存在于层状正极材料中的失效机制，提供从原子尺度的理解认知，这一工作将有助于寻找合适的途径来抑制裂纹的产生。 2010年博士毕业于中科院金属研究所，2010-2013在日本NIMS从事博士后研究，2013-2017在美国太平洋西北国家实验室（PNNL）从事锂电池相关的透射电子显微学研究。于2017年10月加入北京工业大学固体微结构与性能研究所。研究领域是利用透射电子显微学研究锂（钠）离子电池材料的失效机理，基本结构和离子的传输机理。在相关领域发表SCI论文70余篇，包括9篇ESI高被引论文，论文总引用4000余次。以第一/通讯作者发表Nat. Mater., Nat. Energy, Nat. Nanotechnol., Nat. Commun.等在内学术论文20余篇。 直播内容概要 钴酸锂是成熟的第一代锂离子电池正极材料，是Goodenough于八十年代在剑桥大学发现，也正因此他获得了2019年诺贝尔化学奖。由于钴酸锂很好的电化学储能性能表现，主要是其体积能量密度，目前在小型储能移动设备被广泛应用，尤其是IT设备上，几乎是统治性的。研究钴酸锂，主要是提高其利用率，目前利用率还不到60%，研究目的是提高其理论容量到80-90%。钴酸锂的性能衰退机制有多种，主要是由于价态变化，成分改变和晶格畸变而引起的。本课题组主要从电子显微学来研究其失效机制。主要分两大类：体材料失效机制和界面失效机制。重点要提一下徕卡的三离子束切割设备，用这个设备，我们做到了很多用别的设备完成不了的工作，主要是EBSD看孪晶。我们发现用徕卡的氩离子束，加工面积特别大；通过与其它设备做对比，与FIB对比，通过EBSD观察，我们发现氩离子束对样品的损伤层确实比较好。如何实现对LiCoO2颗粒大面积、大数量的统计性观察？以确定孪晶界是否为普遍存在的缺陷结构我们想到了EBSD的方法，但EBSD需要样品非常平整，我们遇到了一个制样的难题，就是如何获得一个大量颗粒的平整样品？我们首先想到了FIB。但是FIB制样，最大的束流也只能切一个几十微米的区域。用FIB大束流高电压，有经验的人都知道FIB会产生很大的电荷累积效应。不能满足我们的要求，其一是它不能满足我们对数量的要求，其二它表面平整度不够，或表面损伤度太大，我们用EBSD分析，看不出来晶格取向。我们也用机械抛光的办法，做了半年时间，都没有成功。然后我们想到了氩离子束切割技术，偶然引进了徕卡，确实切出了不错的样品，切了五六个样品，目标达成。通过统计发现，在钴酸锂里面孪晶占比至少达到40%，孪晶含量或出现频率是非常高的。对高电压循环性能，孪晶会产生很大影响，这给钴酸锂材料学界产生了一个新的信息，因为之前大家认为钴酸锂是单晶，或没有意识到它是孪晶。如果不做成单晶，由于孪晶界的存在，它很容易造成高电压性能的衰退，这是我们对钴酸锂认识的提升。

【科学背景】应变传感器是一种关键技术，用于在多种应用中实现高灵敏度的机械感知，如人形机器人的指尖控制和皮肤贴合健康监测设备。然而，现有的应变传感器普遍依赖于裂纹生成机制，这限制了它们在灵敏度、应变范围、稳定性和时间空间分辨率上的综合性能。传统裂纹导电材料在小传感面积与高性能之间存在固有的权衡，其裂纹易于扩展并难以控制，导致传感器在应对大应变和长期稳定性方面的表现有限。为解决这些挑战，天津科技大学生物基纤维材料国家重点实验室刘阳教授、国家重点实验室主任程博闻教授、南开大学Jiajie Liang课题组联合提出了一种分子级裂纹调制策略，采用逐层组装技术在MXene和银纳米线复合薄膜中引入了强、动态和可逆的硫-银（S-Ag）配位键。这种创新策略不仅在传感器中实现了极小的感测面积（仅0.25 mm² ），同时提供了超宽的工作应变范围（0.001-37%）、极高的灵敏度（在0.001%时的增益因子超过500，在35%时超过150,000）、快速的响应时间、低滞后和优异的长期稳定性。此外，基于这种高性能传感元件，研究团队成功实现了每平方厘米100个传感器的可拉伸传感器阵列，展示了高时间空间分辨率的实际应用，如多通道脉冲信号监测系统。【科学亮点】（1）本研究首次采用分子级裂纹调制策略，在MXene和银纳米线复合导电薄膜中引入强、动态和可逆的硫-银（S-Ag）配位键。这一策略通过逐层组装技术，实现了裂纹生成和传播的精确控制。（2）实验结果表明，所制备的基于裂纹的可拉伸应变传感器（S-M/A）具有多重优异的性能特征：传感面积极小（仅0.25 mm² ），但具备超宽的工作应变范围（0.001-37%），高灵敏度（在0.001%应变下的增益因子超过500，35%应变时超过150,000），快速的响应时间（约5毫秒），低滞后和长期稳定性。此外，通过S-Ag配位键的动态调控，传感薄膜能有效地能量耗散，防止裂纹间隙的扩展，从而保持了纳米级别的裂纹结构和传感性能的稳定性。（3）这一研究突破了传统裂纹调制策略的限制，克服了传感面积和性能之间的固有权衡，为高密度、高分辨率的可拉伸应变传感器阵列的实现提供了新的思路和方法。通过高效的组装工艺，作者实现了每平方厘米100个传感器的集成，展示了该传感器阵列在多通道脉冲感测系统中的实际应用，具备优异的时间空间分辨率和监测精度。【科学图文】图1：引入S-Ag配位键到S-M/A感测薄膜中。图2：S-MXene和S-M/A薄膜的表征。图3：S-M/A传感器的应变感测性能。图4：应变感测性能比较。图5：S-M/A感测薄膜的裂纹调制行为。图6：S-M/A传感器阵列在脉冲信号测量中的应用。【科学结论】本文开发了一种基于分子级裂纹调制策略的新型应变传感器，通过引入强、动态和可逆的S-Ag配位键，有效地解决了传统裂纹型传感器中传感面积与性能之间的权衡问题。此技术不仅在传感面积极小的情况下实现了超高灵敏度和广泛的应变范围，还通过动态调控裂纹形态和能量耗散机制，提高了传感器的稳定性和可靠性。通过分子级的设计和制备过程，将有机和无机材料有效地结合在一起，为高性能应变传感器的设计提供了新的思路和方法。此外，本文展示了简便且可扩展的制造工艺，为实现高密度、高分辨率的传感器阵列奠定了基础。这种基于分子级裂纹调制的策略不仅有助于推动应变传感器技术的进步，还为未来在可穿戴设备、健康监测和智能机器人等领域中需求高精度、高稳定性传感器的开发提供了新的理论和实践基础。原文详情：Liu, Y., Xu, Z., Ji, X. et al. Ag–thiolate interactions to enable an ultrasensitive and stretchable MXene strain sensor with high temporospatial resolution. Nat Commun 15, 5354 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49787-9

12月3日，管道局检测公司研制的国内首套电磁超声裂纹检测器完成整机牵拉试验。 　　据悉，电磁超声裂纹检测器目前国际上只有三套样机，而管道局检测公司研制的48英寸口径的电磁超声裂纹设备在国际上尚属首套。 　　天然气管道在运行中，由于应力作用，管体会产生裂纹。随着裂纹的加大，将直接导致管线沿纵向撕裂状爆炸，撕裂长度可达数十公里，危害巨大。管道局检测公司作为国内唯一从事管道漏磁检测的甲类综合检验机构，经过4年潜心研究，历经成千上万次的实验室测试和试验，终于攻克被誉为管道检测史上&ldquo 哥德巴赫猜想&rdquo 的电磁超声裂纹检测技术。

贝斯特成功召开了2016 年先进的碳复合材料测试——使用在线损伤监测解释裂纹动力学技术交流会。本次交流会在北京唯实酒店举行，旨在为复合材料科研工作者搭建的专业性技术交流平台。本次交流会将由贝斯特（中国）技术公司组办，为用户解读了国际碳复合材料微裂纹动力学检测技术最新技术。本次交流会关注现在最新的力学试验技术的发展，此技术解决了目前力学试验机无法在线测试微裂纹动力学的困境；会议由复合材料科学家R. Sunder博士主讲， 和各位同行交流了复合材料力学测试面临的挑战和解决方法。 R. Sunder博士履历1. 1978-1993，在国家航空航天实验室研究航空疲劳和机体残余强度（1978-1993）；2. 1986-1988，镍基高温合金的性能，空军材料实验室，莱特帕特森空军基地，俄亥俄；3. 1992年创立了班加罗尔集成系统解决方案公司（BISS），领先的技术研发和制造商，为全球客户最先进的测试系统。2012年美国ITW集团收购了BISS公司，ITW为纽约证券交易所上市公司，全球财富200强企业。4. 1996至今，研究疲劳的阈值和变幅疲劳。5. ASTM（1985）和ASTM委员会E-8（疲劳与断裂）和D30（复合材料）的成员。超过50多篇同行评审的ASTM特殊技术出版物、国际疲劳杂志、工程材料和结构的疲劳与断裂的单一作者的论文。 参加技术交流的科研人员来自于：空中客车(天津)总装有限公司，北京科技大学，北京航天材料研究院，中国民航科学技术研究院， 中科院化学所、中科院理化技术研究所，北京航空航天大学，以及其它合作公司等。

AE（声发射）技术是一种新型的无损检验技术，此种方法是采集和分析一般金属物体产生裂纹时发出的声波信号来判断裂痕的存在及趋势。金属裂纹检测系统能够在校直过程中实时检测工件内部裂纹产生情况，对产生裂纹的工件通过校直系统进行筛选。 产品特点： 相对于常规的无损检测方法，声发射法具有以下的优点： &bull 动态检测，可更客观地评价运行中设备的安全性和可靠性 &bull 声发射灵敏度高，检查覆盖面积大，可以远距离监测 &bull 检测可在设备运行状态中进行 为提高设备的可靠性、安全性和生产效率，本装置采用声发射技术，通过检测伴随材料变形、断裂应力改变而放出的AE波，对其相关参数进行分析评价，进而判断工件是否合格。与自动校直机产品完美结合，实现一机多用，完美替代传统探伤手段

增材制造金属作为新一代“高设计自由度”材料，虽具有传统铸轧工艺无法比拟的优势，但其长期服役疲劳性能仍有不足。航空发动机、燃气轮机和高铁等关键零件，在服役过程中承受107~1010及以上的循环载荷，材料微结构敏感性显著增强，实验寿命分散性大，传统基于疲劳极限（107）的疲劳强度与寿命设计理论不再适用。因此研究增材制造金属材料的超高周疲劳（VHCF）失效机理，建立量化内部缺陷和微结构的超高周疲劳裂纹萌生/扩展理论框架具有重要的科学意义和工程应用价值。增材制造金属超高周疲劳裂纹通常萌生于内部缺陷，裂纹萌生阶段通常占总寿命的95%以上。对于内部裂纹尚无合适的原位观测手段捕捉纳米级的裂纹长度变化，同时由于缺陷尺寸与晶粒在同一数量级，材料的各向同性假设不再适用。在理论层面，现有循环内聚区模型难以处理低于应力强度因子阈值的损伤演化，同时塑性变形和损伤是历史相关的内变量，现有数值模拟方法无法处理超高周次的循环载荷数。本研究旨在发展考虑材料微结构的超高周裂纹萌生/扩展机理的力学模型及超高周次循环载荷下的数值加速等效方法。本研究建立了耦合的晶体塑性/循环内聚区模型，引入单元通信机制，建立裂纹萌生演化准则，提出适用于超高周疲劳载荷的加速算法，对增材制造铝合金疲劳裂纹萌生和扩展过程进行预测，并通过实验验证了该方法的有效性。主要成果如下：（1）捕捉到了超高周疲劳早期的裂纹萌生/扩展过程。揭示了增材制造铝合金的VHCF裂纹萌生/扩展机理，建立了1:1还原实验的缺陷、晶粒织构和载荷条件的有限元模型。图1 (a)早期裂纹捕捉，(b)由内部缺陷诱发的次生裂纹，(c)早期裂纹形貌，对应载荷循环数3.63×108，(d)有限元模型及边界条件，(e)内聚区单元网络，(f)缺陷附近的内聚区单元（2）构建了超高周疲劳裂纹萌生及扩展的理论框架。首次将裂纹萌生过程中实体单元计算得到的晶体滑移内变量作为损伤参量引入内聚区模型，建立裂纹萌生和扩展准则，提出了基于向前欧拉法和频率等效的加速算法，实现超高周疲劳裂纹萌生和扩展的全过程模拟，很好地模拟了裂纹萌生早期缺陷附近最大激活滑移系的演化。图2 裂纹萌生早期缺陷附近最大激活滑移系的演化(a) N=1×104, (b) N=5×105, (c) N=2.5×106, (d) N=4.5×106, (e) N=6.5×106, (f) N=8.5×106（3）验证了模型在超高周疲劳载荷下的有效性。计算结果表明由于裂纹表面的相互挤压，裂纹面附近产生大量高局部累积塑性区，有力地支撑了大数往复挤压模型（NCP）所预测的FGA细晶区形成机理。同时模型可以有效地计算裂纹闭合效应，预测的裂纹扩展速率与实验结果吻合很好。图3 模型验证：(a)KAM图, (b)计算结果, (c)裂纹扩展速率该研究成果近期以“A framework to simulate the crack initiation and propagation in very-high-cycle fatigue of an additively manufactured AlSi10Mg alloy”为题，发表在固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2023,175, 105293上(https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105293)，论文作者为中国科学院力学研究所孙经雨、钱桂安、洪友士等人。该项研究工作得到了国家自然科学基金（12002185，12272377，12072345，11932020）的资助。

2015年2月，国内著名橡胶研究机构——北京化工大学材料学院弹性体先进材料研究中心，成功引进和使用法国Metravib公司的橡胶裂纹扩展专业测试设备DMA+1000。 基于DMA+NG系列宽力值、宽频率动态热机械分析仪(DMA)的测试平台,由国际轮胎生产巨头米其林公司和国际最大DMA专业制造商 - 法国Metravib公司共同研发的专门用于橡胶裂纹扩展测试的全新功能。配置了裂纹扩展单元的DMA不仅可以实现对材料粘弹性能、疲劳性能的评估，还可以评估橡胶材料在不同温度、不同加载模式、不同气氛等条件下的裂纹扩展行为。 本次合作为北京化工大学和仪尊科技的再次合作，化工大学的第一台Metravib公司的DMA已使用将近十年，深得专家和学者们的重视和好评。本次装机仪尊公司安排了法国Metravib公司的专家进行现场培训和指导，详细讲解设备使用方法和研究领域。 今后，仪尊公司将继续携最先进最优秀的技术和测试设备，给予用户们最好的体验，期待与您的合作！

据德国弗劳恩霍夫研究所网站报道，该所科学家研发的一个特殊传感器系统可以检测到玻璃幕墙上微小的裂纹，并对即将发生的玻璃破碎的危险发出警告。相关技术将在5月18日至20日举行的纽伦堡国际传感器、测试测量技术展上进行展示。 　　玻璃幕墙体现了现代建筑学与美学结构设计的最佳结合。不过，玻璃幕墙上的玻璃破碎坠落危及行人的情况也时有发生，而迄今为止，相关安全检查一般仅依靠敲打玻璃的声音来判断。这样的检测只能确认已经形成整条裂痕的玻璃，而不能警告即将发生的危险。 　　现在，位于维尔茨堡的德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所(ISC)与行业合作伙伴共同开发了一个传感器，它可识别5毫米长的微裂纹，并在玻璃实际破裂之前就及时发出维修提示。负责该研究的伯恩哈德布伦纳博士介绍说，他们在一块玻璃上按照一米的间距安装多个压电传感器执行器模块(piezoelektrische Sensor-Aktor-Module)，一个传感器执行器模块产生超声波，其他传感器接收这种注册过的超声波。如果超声波信号保持不变，说明玻璃是完好的 如果信号发生变化，就表明玻璃产生了裂痕。通常，这些裂纹从玻璃的边缘产生，最初是不可见。随着时间的推移，例如在环境温度变化的影响下，它才会逐渐扩大。 　　该传感器通过电缆连接到建筑物的控制系统，所有传入的数据都会被自动分析，当玻璃出现微小裂缝时就会触发警报。研究者还成功将传感器安装到层压玻璃面板间。由于这些传感器在层压玻璃的生产过程中就已经被整合到两块玻璃板之间，因此，它们能在玻璃安装前就检测到玻璃在运输过程中出现的缺陷。 　　这一新的安全系统不仅可以提前预测玻璃碎裂，还能提供舒适的功能：该传感器执行器模块同温度和光传感器相连，可以根据光照情况选择开关百叶窗，从而控制室内环境。

一种能够适应大尺寸试样、甚至是原型试样的高温弯曲应力腐蚀试验机成功交付用户，这台弯曲应力腐蚀试验机可以进行大尺寸试样甚至原型试样的弯曲试验，同时，设备配套悬臂梁弯曲夏比试样的弯曲应力试验，悬臂梁弯曲夏比试样的弯曲加载采用砝码加载形式。大尺寸弯曲应力腐蚀试验机采用电子加载形式。配置合适的溶液池即可进行弯曲应力腐蚀试验。受客户要求，百若仪器开发出大尺寸弯曲应力腐蚀试验机，不仅可以进行轴向慢应变应力腐蚀试验，也可进行弯曲腐蚀试验，同时，可以进行悬臂梁夏比试样悬挂弯曲试验。弯曲应力腐蚀试验机也可根据客户的要求进行弯曲应力腐蚀疲劳的试验。YYF-100弯曲加载预裂纹应力腐蚀试验机主要研究在海洋腐蚀环境下的应力敏感性材料特性。专用慢应变速率应力腐蚀试验机，适用环境为微高温常压盐溶液。该设备特点在于除轴向拉伸功能外，增设一套机构用于实现对悬臂试样的弯曲加载，以及一套专用单元用于对夏比试样进行悬挂弯曲试验。该产品完全满足客户要求，得到客户的好评。背景资料：金属材料在拉应力及特定的腐蚀介质的作用下，经过一定的时期，将会产生裂纹及断裂的现象称为应力腐蚀开裂，并且，这种开裂经常以不可预测的低应力脆断出现在材料服役现场，造成事故的发生及材料的损耗，因此，一些科研机构及材料专家一直在致力于研究应力腐蚀开裂的课题，目前，主要以GB/T 15970.7-1995 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验，GB/T 17898-1999不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法，YB/T 5362-2006 不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法等试验方法进行试验，这些试验方法中的试样以小试样作为研究对象，而大尺寸的往往以有限元分析进行模拟。在实际工作中，材料往往以大尺寸的面貌出现在服役现场，这样，试验所得的数据可能会出现一定的偏差，这些偏差可能会受到腐蚀温度、介质浓度等因素的影响，也可能受到晶粒组织的影响，这样，采用大尺寸试样弯曲应力腐蚀试验的必要性就显得尤为重要。

波纹管是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体,其生产历史已有一百多年。直到第二次世界大战时期才用作仪器、仪表的弹性敏感元件和各类管道的联结元件,现已广泛用于矿山、石油、化工、冶金、电力、热力、航海、航天等工程设备中，起密封、吸振、降噪、储能、热补偿和介质隔离作用。 波纹管有多种形式就波的形状而言,以U型波纹管应用广泛,其次还有C型、Ω型、矩形和S型等 就层数而言,则分为单层和多层波纹管。 本例针对某机型机头与容器间壁厚为0.2mm，运行2000多小时发生泄漏的单层U型波纹管，使用金相显微镜，扫描电子显微镜等专业设备对波纹管失效部位做全面分析。 拿到波纹管泄漏样品（图 1），对于搞机械的来讲，很容易想到用气压测试确定波纹管泄漏大致位置。事实也是如此，采用此种方法可以很方便的确认泄漏位置大致位于接头焊缝附近。紧接着去除波纹管接头部保护环及编织网，裸眼观测，对于大一些的裂纹可以直接看到，但是对于微小裂纹或者说想要知道裂纹萌生——发展——失稳的整个过程，就必须要借助于体式显微镜。体视显微镜放大倍数50倍，以其较经典显微镜更为出色的大景深，广泛应用于各种断口的宏观观察和拍照。 图 1 波纹管宏观形貌 图 2为是焊缝附近裂纹。其拍摄照片可以直观的反映出裂纹位置以及近裂纹表面焊接过程中产生的高温氧化色。仅仅观测到裂纹，确定裂纹位置对于查找其产生的根本原因还是远远不够的。想要了解的是整个波纹管寿命周期，从生产到使用究竟是哪个环节的问题导致了其异常开裂，进而引起泄漏。这就需要搜集各个环节的信息，越详细越好，例如：生产制造工艺、材料技术标准、设计技术条件、安装过程、使用过程… … 。通常想要真正了解原因，这些条件都是必要的。 图 2 焊缝部位裂纹局部宏观形貌 接下来要使用的更为精密设备和复杂的制样来观察分析。众所周知，机械行业大多传动部件其加工过程中都要热处理，其目的就是通过改变材料组织进而优化材料机械性能。对于生产检验，一般测试机械性能就可以了，但是对于失效分析，想要查清问题背后的原因，仅测性能是不够的，需要观察组织去了解影响性能背后的原因。观察组织就要用到材料领域的——金相显微镜。这里使用的是金相显微镜，其可在50-1000倍观察样品。图 3、图4和图 5是使用显微镜拍摄的照片。其中开裂确切位置清晰可见——焊接热影响区，同时可见波纹管管壁痕迹，表明母材与焊料熔合不是很好，管壁裂纹起始位置可见细小的晶间裂纹。 图 3 焊缝部位裂纹周围组织局部形貌 图 4 断裂起始位置表面晶间裂纹局部形貌 图 5 表面晶间裂纹周围组织局部形貌 失效分析当中的重头戏——断口分析，其要使用的设备也是失效分析中重量级的设备——扫描电子显微镜，简称SEM。SEM以其出色的放大倍数和观察景深而闻名。随机配备的能谱仪，更使其如虎添翼，使得其在失效分析领域大放异彩。图6 、图7 为使用SEM拍摄到的波纹管断裂面的照片，其清晰告知断裂模式为晶间腐蚀—疲劳断裂。 图 6 断口开裂源部位表面晶间裂纹局部形貌 图 7 断口裂纹扩展区疲劳纹局部形貌 304不锈钢的敏化温度区间大致为425-815℃[1]。在焊接接头的焊接过程中，热影响区热循环峰值温度在600-1000℃。在随后的冷却过程中，如果在304敏化温度区域停留时间过长将会导致材料晶间腐蚀敏感性增加。焊接时可以通过提高焊接速度的方法来增大电流，维持较低的热输入，从而降低晶间腐蚀的倾向，也可以对焊接后的不锈钢进行固溶处理和稳定化处理来降低焊接件晶间腐蚀敏感性[1,2]。 综上，结合各种背景信息以及各种测试分析手段的相互佐证，可以得出造成连接机头和容器波纹管泄漏的原因为波纹管接头焊接工艺不当，使得304表面使用过程中产生晶间腐蚀，进而萌生晶间裂纹在周期性载荷作用下造成波纹管早期疲劳开裂。 参考文献[1]. 张晶莹. 304奥氏体不锈钢的晶间腐蚀与防护.装备制造技术,2012,2:154-155.[2]. 赵强,肖维宝 等.304不锈钢法兰焊接裂纹分析与返修.焊接,2017,2:54-56. 作者阿特拉斯科普柯(无锡)压缩机有限公司 程晓波

常规的无损检测技术如射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等，这些方法在实践应用中都有各自的缺点及局限性。红外热成像无损检测技术是近年来应用逐渐广泛的一种新兴检测技术，广泛应用于航空航天、机械、医疗、石化等领域。与其他的无损检测技术相比，红外热成像技术的特点有：1. 测量速度快，因为红外探测器通过物体表面发射的红外辐射能来测得物体表面的温度，所以响应极快，能测得迅速变化的温度场；2. 非接触性，拍摄红外图片时，红外摄像仪与被测物体是保持一定距离的，对被测温度场没有干扰，操作安全、方便；3. 测量结果直观形象，热像图以彩色或黑白的图像形式对结果进行输出，从图上可以方便地读取各点的温度值，并且热像图中还包含有丰富的与被测物体有关的其它信息；4. 测温范围广，由于是采用辐射测温，与玻璃测温计和热电偶测温计相比，测温范围大大扩展，理论上可从绝对零度到无穷大；5. 测量精度高；6. 易于实现自动化和实时观测。红外热成像无损检测原理红外线是一种电磁波，为0.78~1000 μm，可分为近红外、中红外和远红外。任何物体只要不是绝对零度，都会因为分子的旋转和振动而发出辐射能量。红外辐射是其中一种，如果把物体看成是黑体，吸收所有的入射能量，则根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，在全波长范围内积分可得到黑体的总辐射度为：式中：为黑体的光谱辐射度；c1、c2为辐射常数，c1=3.7418×108 Wm-2μm4，c2=1.4388×104 μmK；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，为5.67×10-8 Wm-2K-4。实际大部分人工或天然材料都是灰体，与黑体不同，灰体材料的发射率ε≠1，灰体表面能反射一部分入射的长波（λ＞3 μm）辐射，因此灰体表面的辐射由自身发射的和环境反射的两部分组成，用红外探测器可直接测量灰体发射和反射的总和Map，但无法确定各自的份额。通常假设物体表面为黑体，将Map称为表观辐射度，为便于理解，一般将其转换为人们较熟悉的温度单位，称为表观温度Tap，即：上述表观温度Tap即为红外探测器测量所得温度，在无损检测中测量距离一般较近，可以忽略大气的影响，故被测物体的表面发射率ε的取值是否准确是影响测量精度的关键因素。检测方式1. 主动式检测为了使被测物体失去热平衡，在红外热成像无损检测时为被测物体注入热量。被测物体内部温度不必达到稳定状态，内部温度不均匀时即可进行红外检测的方法即为主动式红外检测。该种检测方式是人为给试样加载热源的同时或延迟一段时间后测量表面的温度场的分布。从而确定金属、非金属、复合材料内部是否存在孔洞、裂缝等缺陷。2. 被动式检测被动式红外热成像无损检测利用周围环境的温度与物体温度差，在物体与环境进行热交换时，通过对物体表面发出的红外辐射进行检测缺陷的一种方式。这种检测方法不需要加载热源，一般应用于定性化的检测。被测物本身的温度变化就能显示内部的缺陷。它经常被应用于在线检测电子元器件和科研器件及运行中设备的质量控制。红外热成像技术在无损检测中的应用1. 材料热物性参数检测与其它的测温技术相比，红外热像仪能迅速、准确地测量大面积的温 值，且测温范围宽。因此，当需要准确测量较大范围的温度边界条件时，红外热像仪具有其它测温仪器不可比拟的优越性。哈尔滨工业大学的研究人员针对焊接温度场中材料的传热系数随温度升高而变化的情况进行了研究，证明了焊接过程热传导系数反演算法的可行性，结合红外热像法与热电偶测量了LY2铝合金固定TIG点焊过程的焊接温度场，通过计算分别获得了加热和冷却过程的热传导系数随温度变化的曲线。热传导反问题的研究，具有广泛的工程应用前景，近年来在热物性参数的识别、边界形状的识别、边界条件的识别、热源的识别等多方面已经取得了很多研究成果。在进行传热反问题研究时，采用红外热像技术测量研究对象的温度图，可以方便快捷地解决温度边界的测量问题，该方法在热传导反问题的研究中已被广泛采用。2. 结构内部损伤及材料强度的检测目前利用红外热像技术进行的结构损伤研究有混凝土内部损伤检测、混凝土火灾损伤研究、焊缝疲劳裂纹检测、碳纤维增强混凝土内部裂纹检测等，由于损伤部位的导热系数的变化，导致红外热像图中损伤位置温度异常。与常规的探伤方法如X射线、超声波等相比，红外热像技术具有不需要物理接触或耦合剂，操作简单方便、无放射性危害等优点。同济大学的研究人员采用红外热像技术对混凝土火灾损伤进行了实验研究，得出了火灾损伤混凝土红外热像的平均温升随时间的变化曲线，及混凝土红外热像的平均温升与其受火温度与强度损失之间的回归方程。将红外热像技术应用于火灾混凝土检测，在国际上尚属首创，突破了传统的检测模式，为进行混凝土的火灾损伤评价开创了一条新途径。但将该方法运用于实际工程检测中，尚有许多问题需要解决，如混凝土强度等级、碳化深度、级配、火灾类型等对检测结果的可靠性的影响，以及检测时的加热措施等。近年在光热红外技术的基础上发展的超声红外技术发挥了红外技术和超声技术的优点，该方法以超声脉冲作为激发源，当超声脉冲在试件中传播遇到裂纹等缺陷时，缺陷引起超声附加衰减而局部升温，从而利用红外热像技术可以检测出这些裂纹缺陷。南京大学的研究人员将红外热像仪与超声波发射器结合起来，用超声波发射器对有疲劳裂纹的铝合金试件进行热量输入，拍摄红外热图像，与计算机模拟计算结果进行比较，试验表明超声红外热像技术对裂纹缺陷、不均匀结构及残余应力非常敏感。3. 在建筑节能中检测的应用在建筑物节能检测方面，瑞典早在1966年就开始采用红外热像技术检测建筑物节能保温，美国、德国等许多国家的研究人员也都进行过这方面的研究工作。在我国随着对建筑节能要求的提高，建筑物的节能检测势在必行。目前我国对建筑围护结构传热系数的检测多采用建筑热工法现场测量，红外热像技术只作为辅助手段，通过检测围护结构的传热缺陷，综合评价建筑物的保温性能。目前我国红外热像技术在节能检测领域的研究尚属于起步阶段，还没有确定的指标对建筑物的红外热像图进行节能定量评价，由于建筑物立面形式和饰面材料的多样性，编制专用的图像分析与处理软件和建立墙体内外饰面材料的发射率基础数据库成为该项研究中一个重要环节。4. 在建筑物渗漏检测中的应用建筑物的渗漏有由供水管道引起的渗漏和屋顶或外墙开裂引起的雨水渗漏等，由于渗漏部位的含水率和正常部位不一样，造成在进行热传导的过程中二者温度有差异，因而可以用红外热像仪拍摄湿度异常部位墙面的红外热图像，与现场直接观察结果进行对比分析，可以找出渗漏源的位置。结语红外热像技术在无损检测中的应用前景非常广泛，相应的研究工作也取得了初步的研究成果，并逐步地从定性研究走向定量研究，但总体来说在目前尚属起步阶段，能应用于实际工程中的研究成果不多，且多属一些定性的结论，缺乏相应的操作规范。因此，应加强定量研究工作，提高对红外热像图的处理能力。

在金相样品镶嵌过程中，样品开裂问题，相信一般人儿都遇到过，如何解决呢？我们的方法是：用METPRESS A型热压金相镶嵌机加上QMAXIS金相镶嵌料，再配上一些神操作，就这么干！一起来了解镶嵌样品出现开裂缺陷的几种情形所产生的原因和具体解决办法。开裂缺陷常见的有中心开裂、圆周开裂和胀裂。下面逐一进行说明。1、中心开裂：当被镶嵌的样品尺寸过大，且边缘有尖角时，易产生中心开裂。因为这样的大尺寸并带有尖角的样品放于定型腔内，定型腔内空间会相对狭小、局促，尖角所在位置接近边缘，不能有足够厚度的镶嵌料填充，结果会导致，定型时出现裂纹，造成中心开裂的情形。针对这种情形，当采取适当缩小试样的尺寸，以利于定型腔有更充分的镶嵌料添充空间；同事要选择硬度与样品材质相匹配的镶嵌料，这样就能避免中心开裂的缺陷了。然而，如果被镶嵌的样品尺寸技术要求无法缩小的条件下，就只好重新配置大尺寸定型腔解决了。2、圆周开裂：这种缺陷产生的大概率是因为镶嵌料中混入了潮湿的空气，或者是在镶嵌定型过程中混入了空气所造成的。针对这种情形，在启动金相镶嵌机后，先将镶嵌粉预热，或将镶嵌粉预成型，然后再对样品进行镶嵌。整个镶嵌过程实时监控，当镶嵌料呈液态时，瞬间释放压力。如此操作，就可有效避免圆周开裂问题了。3、胀裂：这种缺陷的产生是因为镶嵌过程设置的固化时间过短，或者压力不足而导致的。针对这种情形，我们要合理选择热镶嵌树脂，适当延长固化时间，同时从镶嵌料的液态到固化成型期间，要适当增加一点压力，这样操作能有效避免胀裂缺陷。以上这些操作，是可脉检测的工程师经验总结，与大家共享。使用的金相镶嵌机是METPRESS A型单筒全自动热压金相镶嵌机，所配耗材均为QMAXIS热镶嵌粉。有关这款金相镶嵌机和镶嵌料的相关技术参数、性能及应用，这里不赘述。以上介绍的几种方法希望对您的类似问题有所帮助。如您遇到金相制样的有关问题，欢迎您联系可脉检测的应用工程师，愿与您一道探讨解决办法。

仪器化划入方法已经成功应用于测试各种材料（包括硬的合金、陶瓷、金属、岩石[1]和软的高分子聚合物、碱硅酸盐凝胶[2]等）的断裂韧度（跨越两个数量级）在材料科学与工程领域具有巨大应用前景，尤其是评估微米级材料或多尺度复合材料（比如碎屑-橡胶混凝土[3]、再生混凝土[4]、水泥[5]、页岩[1, 6, 7]，骨头[8]、功能梯度和复合涂层[9]）的断裂性能，其诸多优势包括：结果与传统方法（比如单边缺口试样的三点弯曲、紧凑拉伸）测量值一致；重复性好；材料体积小；设备操作、数据分析简单；近乎无损检测（微米级划入测试划入深度一般在十几微米）；尤其是试样制备简单，不需要预制缺口或裂纹；测试成本和周期都大大减小[10]。仪器化划入过程的实物图和示意图见图 1[11]。在仪器化划入过程中，利用侧向力和压入深度可以计算出材料的断裂韧度。仪器化划入表征断裂韧度主要有两种理论：一种是线弹性断裂力学（linear elastic fracture mechanics or LEFM）；另一种是能量尺寸效应理论（microscopic energetic size effect laws or ESEL）。理论都是假设在压头前端存在沿水平扩展的裂纹，见图 2[12]。这种裂纹模式在直刚刀压头划入石蜡的实验中体现得最好，见图 3[13]。对于直压头：三维裂纹的横截面是长方形。能量释放率可以由J-积分计算，再结合断裂准则，即可以建立利用侧向力和压入深度计算断裂韧度的关系式。图 1 仪器化划入测试实物图及示意图：（a）直钢刀压头划入石蜡；（b）倾斜直钢刀压头划入测试示意图；（c）Rockwell C压头划入薄膜材料；（d）轴对称压头划入示意图（压入深度d，压头尖端圆角半径R，侧向力FT，划痕方向x）图 2 利用轴对称压头划入过程的侧视图（左图）和正视图（右图）。x 是划痕方向，FT 是水平侧向力，FV 是竖直正压力，d 是压入深度，n 是压头与材料接触界面朝材料外侧的单位法向，A 是承载侧向力的面积投影，p 是压头与材料接触界面的周长图 3 石蜡在直钢刀压头仪器化划入过程中压头前端水平扩展的裂纹：（a）实验结果；（b）理想的裂纹形状示意图（具有长方形横截面的三维裂纹，需要裂纹长度l、刀具宽度w、压入深度d 三个尺寸表征）不同的学者提出了不同的分析方法，断裂韧度Kc 可以通过拟合仪器化划入的实验数据获得[10, 14-19]：其中Λ=A/(2P)是名义长度，p 和A 分别是周长和水平投影面积（见图 2），都是压入深度d 的函数[12]。利用线弹性断裂力学可以直接计算出断裂韧度Kc已知压头几何形状可以得到p(d)和A(d)，f=2p(d)A(d) 即压头形状函数：对于圆锥压头，f 与d3 成正比；对于圆球压头，f 与d2 成正比。图 4是利用Rockwell C压头划入钢材的结果[20]。示意图见图 4（a）。在划入过程中，施加线性增大的正压力FV，如图 4（b），同时记录侧向力FT 和压入深度d。数据与划痕残余形貌一一对应，形貌见图 4（c），并且可以利用声发射分析断裂过程，如图 4（d）。图 4 利用圆锥压头分析钢材料的断裂韧度：（a）圆锥压头仪器化划入过程示意图（划痕方向沿X 轴，FV 和FT 分别是正压力和侧向力）；（b）划入过程中在施加线性加载的正压力的同时记录侧向力；（c）划痕残余形貌；（d）侧向力和压入深度的关系（左轴）和声发射（右轴）当圆锥部分起主导作用时，FT/d3/2趋近于一条水平线，这说明划入过程由断裂机制控制，声发射信号也直接验证了断裂的发生。可见，利用划入方法测试材料的断裂韧度需要适合的加载条件，只有当载荷足够大，断裂机制占主导时才能应用线弹性断裂力学的公式计算断裂韧度，但是过大的载荷会产生很多扩展方向不同的裂纹，使得只有一条裂纹扩展的假设不成立。声发射信号是确定断裂发生的有效手段，可以用于区分断裂的程度（剧烈的断裂会使得声发射信号饱和），寻找适合的加载力范围。FT/d3/2一直在波动，这种锯齿状数据是切削的典型特征，与传统测试（比如紧凑拉伸中只有一个裂纹产生）明显不同，划入过程中会产生很多裂纹，所以有必要对平稳段的数据取平均[21]。仪器化划入方法已经成功应用于各种材料的断裂韧度表征[22, 23]，比如：高分子材料（聚碳酸酯PC[18]、改性石墨烯添加的环氧树脂基复合材料[24]）、玻璃（熔融石英硅[25]、K9玻璃[26]）、金属（紫铜[27, 28]）、半导体材料（单晶硅和碳化硅[29]）等。表 1比较了部分材料的仪器化划入测试结果与传统方法测试结果，划入法测试与传统方法测试结果大体一致，差异很有可能是由于材料的各向异性和不均匀造成的，因为划入法表征的是表面微观区域的力学性能，传统方法测试的是宏观力学性能。所以划入法可以表征材料断裂韧度的分布，适合于异质复合材料各组织以及界面的力学性能表征，研究不同尺度结构的断裂性能，这些都是先进材料及微纳米器件发展迫切需要解决的关键测试表征技术，尤其在表面微观力学领域有广阔的应用前景。表 1 利用仪器化划入方法表征各种材料的断裂韧度（MPa• m1/2）压头（形状尺寸）及方法材料（牌号）：划入法测的断裂韧度（传统方法测试值）单位（国家）[参考文献]Rockwell C压头（2θ=120°，R=200 μm），线弹性断裂力学铝合金(AA 2024)：34.4±3 (32~37)热塑性聚合物（Delrin Grade 150）：2.5±0.2 (2.9±0.5)麻省理工学院（美国）[20] Rockwell C 压头（2θ=120°，R=200 μm），线弹性断裂力学钠钙玻璃：0.71±0.03 (0.70)耐热高硼硅玻璃：0.68±0.02 (0.63)热塑性聚合物(Delrin 150E) ：2.75±0.05 (2.8)热塑聚碳酸酯：2.76±0.02 (2.69)铝合金(2024-T4/T351) ：28.8±1.3 (26~37)AISI-1045：62.2±2.6 (50)AISI-1144：62.2±2.6 (57~67)Titanium 6Al-4V：77.0±3.4 (75)麻省理工学院（美国）[22]直钢刀压头，线弹性断裂力学（LEFM）和能量尺寸效应方法(ESEL)石蜡：0.14 (0.15)水泥：0.66~0.67 (0.62-0.66)侏罗纪石灰岩：0.56 (ESEL), 0.34 (LEFM)A-51w：0.82 (ESEL), 0.81 (LEFM)B-4w：0.74 (ESEL), 0.72 (LEFM)B-12w：0.78 (ESEL), 0.78 (LEFM)麻省理工学院（美国）西北大学（美国）伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[21]直钢刀压头、Rockwell C线弹性断裂力学水泥（直钢刀压头）：0.66±0.05 (0.67)钢材（Rockwell C压头）：40±0.2 (50)麻省理工学院（美国）[11]直钢刀压头能量尺寸效应方法水泥：0.66(0.65~0.67)伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[23]Rockwell C压头线弹性断裂力学（LEFM）和能量尺寸效应方法(ESEL)塑料（Delrin）：3.26 (LEFM)，2.85 (ESEL)聚碳酸酯（Lexan）：2.87 (LEFM)，2.38 (ESEL)熔融石英硅：0.96 (LEFM)，0.96 (ESEL)传统测试结果：塑料（2.8）、聚碳酸酯（2.2）、熔融石英硅（0.8）科罗拉多大学（美国）麻省理工学院（美国）[28]Rockwell C压头能量尺寸效应方法聚缩醛 ：3.16 (2.8)石蜡：0.14 (0.14)聚碳酸酯（Lexan 934）：2.8 (2.69)铝：32.53 (32)伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[40]圆球压头线弹性断裂力学熔融石英硅：0.7 (0.68~0.75)K9玻璃：0.85 (0.82)福州大学（中国）[45,46]Rockwell C压头线弹性断裂力学聚碳酸酯：2.3 (2.2)福州大学（中国）[43]作者简介刘明，福州大学机械工程及自动化学院教授，福建省闽江学者特聘教授、福州大学旗山学者海外人才、福建省高层次境外引进C类人才，全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分技术委员会金属材料微试样力学性能试验方法工作组（SAC/TC183/SC4/WG1）委员、ISO 14577系列国际标准制修订国内工作组成员。1985年出生于哈尔滨市，哈尔滨工业大学本科、硕士，肯塔基大学（美国）博士，法国巴黎高科矿业工程师学校材料研究所博士后、华盛顿州立大学（美国）博士后。主要研究领域为微观力学及仪器化压入划入测试方法。作者邮箱：mingliu@fzu.edu.cn 参考文献[1] A.-T. Akono, P. Kabir, Microscopic fracture characterization of gas shale via scratch testing, Mechanics Research Communications, 78 (2016) 86-92.[2] C.V. Johnson, J. Chen, N.P. Hasparyk, P.J.M. Monteiro, A.T. Akono, Fracture properties of the alkali silicate gel using microscopic scratch testing, Cement and Concrete Composites, 79 (2017) 71-75.[3] A.-T. Akono, J. Chen, S. Kaewunruen, Friction and fracture characteristics of engineered crumb-rubber concrete at microscopic lengthscale, Construction and Building Materials, 175 (2018) 735-745.[4] A.-T. Akono, J. Chen, M. Zhan, S.P. Shah, Basic creep and fracture response of fine recycled aggregate concrete, Construction and Building Materials, 266 (2021) 121107.[5] J. Liu, Q. Zeng, S. Xu, The state-of-art in characterizing the micro/nano-structure and mechanical properties of cement-based materials via scratch test, Construction and Building Materials, 254 (2020) 119255.[6] M.H. Hubler, F.-J. Ulm, Size-Effect Law for Scratch Tests of Axisymmetric Shape, Journal of EngineeringMechanics, 142 (2016).[7] A.-T. Akono, Energetic Size Effect Law at the Microscopic Scale: Application to Progressive-Load Scratch Testing, Journal of Nanomechanics and Micromechanics, 6 (2016) 04016001.[8] A. Kataruka, K. Mendu, O. Okeoghene, J. Puthuvelil, A.-T. Akono, Microscopic assessment of bone toughness using scratch tests, Bone Reports, 6 (2017) 17-25.[9] H. Farnoush, J. Aghazadeh Mohandesi, H. Cimenoglu, Micro-scratch and corrosion behavior of functionally graded HA-TiO2 nanostructured composite coatings fabricated by electrophoretic deposition, J Mech Behav Biomed Mater, 46 (2015) 31-40.[10] A.T. Akono, N.X. Randall, F.J. Ulm, Experimental determination of the fracture toughness via microscratch tests: Application to polymers, ceramics, and metals, J. Mater. Res., 27 (2012) 485-493.[11] A.-T. Akono, F.-J. 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Liu, Measurement of fracture toughness of copper via constant-load microscratch with a spherical indenter, Wear, 444–445 (2019) 203158.[18] M. Liu, S. Yang, C. Gao, Scratch behavior of polycarbonate by Rockwell C diamond indenter under progressive loading, Polymer Testing, 90 (2020) 106643.[19] M. Liu, Microscratch of copper by a Rockwell C diamond indenter under a constant load, Nanotechnol. Precis. Eng., 4 (2021) 033003.[20] A.T. Akono, P.M. Reis, F.J. Ulm, Scratching as a Fracture Process: From Butter to Steel, Phys. Rev. Lett., 106 (2011) 204302.[21] A.-T. Akono, G.A. Bouché, Rebuttal: Shallow and deep scratch tests as powerful alternatives to assess the fracture properties of quasi-brittle materials, Eng. Fract. Mech., 158 (2016) 23-38.[22] 刘明, 李烁, 高诚辉, 利用圆锥压头微米划痕测试材料断裂韧性, 摩擦学学报, 39 (2019) 556-564.[23] 刘明, 李烁, 高诚辉, 利用微米划痕研究TiN涂层的失效机理, 计量学报, 41 (2020) 696-703.[24] S. Li, J. Zhang, M. Liu, R. Wang, L. Wu, Influence of polyethyleneimine functionalized graphene on tribological behavior of epoxy composite, Polymer Bulletin, (2020).[25] M. Liu, Q. Zheng, C. Gao, Sliding of a diamond sphere on fused silica under ramping load, Materials Today Communications, 25 (2020) 101684.[26] M. Liu, J. Wu, C. Gao, Sliding of a diamond sphere on K9 glass under progressive load, Journal of Non-Crystalline Solids, 526 (2019) 119711.[27] D. Zhang, Y. Sun, C. Gao, M. Liu, Measurement of fracture toughness of copper via constant-load microscratch with a spherical indenter,Wear, 444-445 (2020) 203158.[28] C. Gao, M. Liu, Effects of normal load on the coefficient of friction by microscratch test of copper with a spherical indenter, Tribology Letters, 67 (2019) 8.[29] 刘明, 侯冬杨, 高诚辉, 利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性, 力学学报, 53 (2021) 413-423.

最近有申报大型仪器设备需求的高校及企业用户，凯尔为您整理出全面的科学仪器选择方案！ 凯尔测控提供全面的材料疲劳力学性能分析解决方案，满足金属材料疲劳与断裂力学性能分析、水凝胶材料的疲劳力学性能及在线形变分析、骨科植入物材料的动态疲劳力学性能分析、橡胶材料的裂纹扩展及数据采集分析、柔性电子材料的疲劳寿命力学性能分析、生物软材料的疲劳力学性能分析等，满足用户在的材料力学性能研究需求。 金属材料疲劳与断裂力学性能分析：金属材料双轴加载测试（载荷：2000N~20kN）实现双轴同步变形，评估材料各向异性配置视频引伸计，同步检测双轴应变定制多场耦合环境附件可对金属、高分子材料、复合材料等固体材料板状试样进行面内单/双轴的静态和动态力学测试，包括拉伸、压缩、弯曲、低周循环加载等，精确测试材料在复杂工况下的力学性能。金属材料弯曲疲劳测试（载荷：6000N~12000N）金属材料弯曲试验 GB/T 232-2010 《金属材料 弯曲试验方法》配备三点弯夹具以及四点弯夹具，可根据客户不同要求选择夹具进行弯曲测试。凯尔可配备非接触式视频计的原位力学试验系统以及电磁式动态力学试验系统进行此机械测试。水凝胶材料的疲劳力学性能及在线形变分析：水凝胶裂纹扩展试验测试（载荷：50-300N）平板试样预置裂纹，计算裂纹扩展速率5N高精度小载荷传感器循环拍照，确保拍照位置在同一幅值水平骨科植入物材料的动态疲劳力学性能分析：可提供完整的骨科植入物的创伤类、关节类、脊柱类、齿科等疲劳力学性能分析解决方案。橡胶材料的裂纹扩展及数据采集分析：用以表征橡胶、塑料、复合材料等粘弹性属性测定材料在不同动态、静态载荷下的刚度、内耗、玻璃化转变、老化等特性测定材料在不同温度环境下 ( 配合环境箱 ) 的表面生热、内部生热特性获取材料储能模量 (E')、损耗模量 (E")、损耗因子 (tans) 等关键参数柔性电子材料的疲劳寿命力学性能分析：模拟人体表面复杂的拉-扭运动方式，可配合电学仪器考察片状柔性电子材料的可靠性生物软材料的疲劳力学性能分析：可实现定制循环水浴槽，模拟生物体液环境多步加载功能，实现预循环加载后拉伸试验配合非接触式视频引伸计，精确测量个方向形变

据河北工业大学网站消息，近日，由胡宁教授主持申报的国家重大科研仪器研制项目“多模态相控阵非线性超声检测原理及仪器研制”获得国家自然科学基金委员会批准立项（批准号：12227801），项目直接经费845万元。这是河北工业大学今年获批的又一项重大科研项目，也是河北工业大学近年来第二次获批重大仪器项目。“多模态相控阵非线性超声检测原理及仪器研制”项目面向增材制造航空发动机关键零部件中微裂纹和残余应力的可视化与智能化检测的重大需求，拟开发出高分辨力、高灵敏度、高效的多模态相控阵非线性超声检测仪器。仪器的特色体现在原创的多模态非线性超声相控阵探头上，涵盖多模态相控阵工作模式设计和机理研究、多模态超声探头设计与复合增材制造、多模态相控阵超声大数据获取及验证、基于大数据和深度学习算法的微裂纹与残余应力智能评价软件系统、多模态相控阵非线性超声仪器系统集成等五方面的研究内容与重点突破。包括复杂相控阵声场下微裂纹与残余应力特征评估、复杂微裂纹和残余应力的信号解耦、探头面投影微立体光刻-微滴喷射-电射流复合增材制造等三个关键技术难题。该项目将最终实现仪器在现场和远程两种工作模式下对早期微裂纹和残余应力的高精度检测与评价，确保增材制造航空发动机关键零部件的成形质量，为零部件的疲劳寿命和服役性能评估提供指导，助推我国超声无损检测仪器在基础原理、技术创新方面取得突破性进展，填补世界范围内非线性超声检测仪器空白。仪器系统简图

拉伸性能与疲劳性能是金属材料工程应用的关键指标，建立二者之间定量关系，实现金属材料不同力学性能之间关系的定量预测是金属结构材料领域重要研究目标之一。由于目前相关理论不够完善，基于微观变形与损伤机制的拉伸性能与疲劳性能定量预测模型并未建立起来。因此，虽有大量实验数据表明金属材料拉伸强度与塑性之间存在明确的倒置关系，拉伸强度与疲劳强度之间存在特定的关系，但至今仍缺乏定量模型来描述上述定量关系。因此，建立金属材料拉伸性能与疲劳性能定量预测具有重要科学意义。金属研究所张哲峰团队长期坚持材料疲劳与断裂基础理论研究，团队成员张振军项目研究员前期在缺陷与金属材料加工硬化关系方面进行了系统性研究，包括四类典型缺陷：1）零维缺陷：发现过饱和空位可提升合金的加工硬化能力；2）一维缺陷：在位错主导塑性形变的合金中实现了加工硬化能力回升；3）二维缺陷：在FeMnCAl系TWIP钢中实现随孪晶密度增加应变速率敏感性由负到正的转变；4）三维缺陷：在TWIP钢等强加工硬化材料中建立了微孔致颈缩判据。近来，在加工硬化微观机制研究基础上，张振军项目研究员提出了新的位错湮灭模型，并通过考虑初始组织状态与合金成分对加工硬化的影响，建立了单相金属材料普适性硬化模型-指数硬化（ESH：Exponential Strain-Hardening）模型，并据此首次推导出单相金属材料拉伸应力(σ)-应变(ε)定量关系：其中硬化指数n为位错湮灭距离(ye)的表达式反映合金成分的影响。η为初始缺陷对屈服强度(σy)非位错性贡献的比例，反映微观组织的影响；ΘⅡ为第二阶段硬化率，对同一金属合金体系为常数。该ESH模型得到了6种合金成分、100余种不同微观组织状态单相铜铝合金的实验验证，如图1所示。该ESH模型阐明了单相金属材料形变过程中一些重要规律：1）用一个参数(n)统一了五阶段加工硬化规律；2）揭示了极限强度、临界强度、真抗拉强度与成分及变形机制之间关系；3）首次推导出"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系（公式(2-4)，图2a-2c）；4）定量揭示了拉伸强度-塑性同步提升的两个基本原则，即成分优化（提升位错滑移平面性）与组织优化（降低初始高能缺陷），在铜合金、镍基合金、TWIP钢、高氮钢、316L不锈钢等单相合金中均得到了系统性实验验证；5）实现了单相铜铝合金拉伸强度、塑性及拉伸应力-应变曲线的定量预测，如图2d-2f所示：　上述研究成果最近以2篇论文连载方式发表在Acta Mater 231 (2022) 117866和231 (2022) 117877上。基于该ESH模型，博士生曲展在张振军项目研究员的指导下，进一步揭示了三类变形铝合金（2xxx、6xxx、7xxx）拉伸强度和塑性随时效时间变化的共性转变规律与机制，建立了三类铝合金加工硬化指数与时效过程中析出相性质及几何特征之间的定量关系，提出了变形铝合金时效过程对加工硬化能力提升的析出相控制原理（J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67）。为了建立金属结构材料拉伸性能与疲劳性能之间定量关系，该团队成员刘睿博士在对铜铝单相合金拉伸性能与高周疲劳强度系统性研究的基础上，从疲劳损伤过程弹性变形与应变局部化两方面入手，通过引入合金成分、微观组织与宏观缺陷参数，建立了金属结构材料高周疲劳强度预测模型：其中参数C代表合金成分（或弹性模量）对疲劳强度的影响，强度σy和σb为微观组织对疲劳强度的影响，参数ω反映了宏观缺陷对疲劳强度的影响，如图3(a)所示；该高周疲劳强度预测模型得到了钢铁材料、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等20余种典型工程结构材料系统性疲劳实验验证，如图3(b)所示。该研究成果也以2篇论文连载方式发表在J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249和70 (2021) 250-267上。在疲劳裂纹扩展预测模型方面，最近李鹤飞博士在团队成员张鹏研究员的指导下，针对高强钢强度-韧性匹配关系，通过断裂力学理论分析，建立了以静态力学性能预测其疲劳裂纹扩展速率模型：其中σb为拉伸强度，KIC为断裂韧性，E为弹性模量，R为应力比，α为扩展速率常数。同时，为了指导关键构件材料强度-韧性优化提高疲劳裂纹扩展阻力，建立了高强度金属材料等效疲劳裂纹扩展速率模型（如图4(a)所示）。通过选择高强度金属材料强度-韧性之间匹配关系，可快速预测和降低其疲劳裂纹扩展寿命（如图4(b)所示），进而可以指导关键构件材料抗疲劳损伤容限设计。上述关于疲劳裂纹扩展速率预测模型在多种高强铝合金、钛合金及高强钢材料中得到了验证。该研究成果发表在J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50上。将上述金属材料拉伸性能和疲劳性能定量预测模型联合起来，可以实现通过测试金属结构材料少数组织状态的拉伸性能快速预测和优化其疲劳性能的功能，为金属结构材料疲劳性能预测与优化软件研发奠定理论基础，也为金属结构材料及工程构件抗疲劳设计与制造提供理论支撑。上述研究工作得到了国家自然科学基金重大项目（51790482）、重点项目（51331007、52130002）、面上项目（51771208、51871223）项目、中国科学院王宽诚率先人才计划"卢嘉锡国际合作团队"（GJTD-2020-09）、"青年促进会"项目（2018182、2021192）及辽宁省"兴辽计划"创新团队项目（XLYC1808027）的资助。相关成果列表及链接：1. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. A general physics-based hardening law for single phase metals. Acta Mater 231 (2022) 117877https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422002531#sec00202. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. Relationship between strength and uniform elongation of metals based on an exponential hardening law. Acta Mater 231 (2022) 117866.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542200252X3. Qu Z, Zhang ZJ*, Yan JX, Gong BS, Lu SL, Zhang ZF*, Langdon TG. Examining the effect of the aging state on strength and plasticity of wrought aluminum alloys. J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222001967?via%3Dihub4. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: I. Model building and fatigue strength prediction. J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030220307441?via%3Dihub5. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: II. Parameter analysis and fatigue strength improvement. J Mater Sci Technol 70 (2021) 250-267.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022030743X?via%3Dihub6. Li HF, Zhang P*, Wang B, Zhang ZF*. Predictive fatigue crack growth law of high-strength steels. J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221005053?via%3Dihub7. 张振军、张哲峰、张鹏、王强；一种金属材料拉伸性能的预测方法, 2021-7-6, ZL201711234799.0，发明。已授权8. 张哲峰、刘睿、张鹏、张振军、田艳中、王斌、庞建超；一种金属材料疲劳强度的预测方法，2021-8-10，ZL201711235841.0，发明。已授权9. 张鹏、李鹤飞、段启强、张哲峰；一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法，2021-3-26，ZL201910030260.6，发明。已授权图1 ESH模型的建立与实验验证：(a-b) 模型推导过程；(c-d) 强度与塑性验证图2 ESH模型的应用：(a)建立"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系；(b)实现拉伸性能及拉伸应力-应变曲线定量预测图3 高周疲劳强度预测模型的建立与验证：(a) 模型建立过程；(b,c) 系统性实验验证图4 (a)等疲劳裂纹扩展速率模型图 (b)工程材料强度-韧性与疲劳裂纹扩展速率关系

所谓气体传感器，是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的传感器。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面，气体传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否，或氧气的消耗量等。气体传感器主要用于针对某种特定气体进行检测，测量该气体在传感器附近是否存在，或在传感器附近空气中的含量。因此，在安全系统中，气体传感器通常都是不可或缺的。从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。气体传感器的分类从检测气体种类上，通常分为可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式）、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导 体、光离子化、火焰离子化式）、有害气体传感器（常采用红外、紫外等）、氧气（常采用顺磁式、氧化锆式）等其它类传感器。从使用方法上，通常分为便携式气体传感器和固定式气体传感器。从获得气体样品的方式上，通常分为扩散式气体传感器（即传感器直接安装在被测对象环境中，实测气体通过自然扩散与传感器检测元件直接接触）、吸入式气体传感器（是指通过使 用吸气泵等手段，将待测气体引入传感器检测元件中进行检测。根据对被测气体是否稀释，又可细分为完全吸入式和稀释式等）。从分析气体组成上，通常分为单一式气体传感器（仅对特定气体进行检测）和复合式气体传感器（对多种气体成分进行同时检测）。按传感器检测原理，通常分为热学式气体传感器、电化学式气体传感器、磁学式气体传感器、光学式气体传感器、半导体式气体传感器、气相色谱式气体传感器等。先来了解一下气体传感器的特性：1、稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。2、灵敏度灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制或爆炸限的百分比的检测要有足够的灵敏性。3、选择性选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。4、抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到优。接下来是关于不同气体传感器的检测原理、特点和用途：一、半导体式气体传感器根据由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。从作用机理上可分为表面控制型（采用气体吸附于半导体表面而产生电导率变化的敏感元件）、表面电位型（采用 半导体吸附气体后产生表面电位或界面电位变化的气体敏感元件）、体积控制型（基于半导体与气体发生反应时体积发生变化，从而产生电导率变化的工作原理） 等。可以检测百分比浓度的可燃气体，也可检测ppm级的有毒有害气体。优点：结构简单、价格低廉、检测灵敏度高、反应速度快等。不足：测量线性 范围较小，受背景气体干扰较大，易受环境温度影响等。二、固体电解质气体传感器固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，几乎在石化、环保、矿业、食品等各个领域都得到了广泛的应用，其重要性仅次于金属—氧化物一半导体气体传感器。这种传感器介于半导体气体传感器和电化学气体传感器之间，选择性、灵敏度高于半导体气体传感器，寿命长于电化学气体传感器，因此得到广泛应用。这种传感器的不足之处是响应时间过长。三、催化燃烧式气体传感器这种传感器实际上是基于铂电阻温度传感器的一种气体传感器，即在铂电阻表面制备耐高温催化剂层，在一定温度下，可燃气体在表面催化燃烧，因此铂电阻温度升高，导致电阻的阻值变化。由于催化燃烧式气体传感器铂电阻外通常由多孔陶瓷构成陶瓷珠包裹，因此这种传感器通常也被称为催化珠气体传感器。理论上这种传感器可以检测所有可以燃烧的气体，但实际应用中有很多例外。这种传感器通常可以用于检测空气中的甲烷、LPG、丙酮等可燃气体。四、电化学气体传感器电化学气体传感器是把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流，得出对象气体浓度的探测器。包含原电池型气体传感器、恒定电位电解池型气体传感器、浓差电池型气体传感器和极限电流型气体传感器。1、原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫等。2、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析（根据电解过程中消耗的电量，由法拉第定律来确定被测物质含量）传感器。这种传感器用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。3、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。4、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。主要优点：体积小，功耗小，线性和重复性较好，分辨率一般可以达到0.1ppm，寿命较长。主要不足：易受干扰，灵敏度受温度变化影响较大。五、PID——光离子化气体传感器PID由紫外光源和气室构成。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。可以检测从10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其他有毒气体。许多有害物质都含有挥发性有机化合物，PID对挥发性有机化合物灵敏度很高。六、热学式气体传感器热学式气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的。其在工业界的应用已有几十年的历史，其仪表类型较多，能分析的气体也较广泛。热化学式是基于被分析气体化学反应的热效应，其中广泛应用的是气体的氧化反应（即燃烧），其典型为催化燃烧式气体传感器，其主要工作原理是在一定温度下，一些金属氧化物半导体材料的电导率会跟随环境气体的成份变化而变化。其关键部件为涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，主要用于检测可燃气体，如煤气发生站、制气厂用来分析空气中的CO、H2 、C2H2等可燃气体，采煤矿井用于分析坑道中的CH4含量，石油开采船只分析现场漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管仓库或原料车间分析空气中的石油蒸 气、酒精乙醚蒸气等。七、红外气体传感器一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。这种传感器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成。红外光从发射端射向接收端，当有气体时，对红外光产生吸收，接收到的红外光就会减少，从而检测出气体含量。目前较先进的红外式采用双波长、双接收器，使检测更准确、可靠。优点：选择性好，只检测特定波长的气体，可以根据气体定制；采用光学检测方式，不易受有害气体的影响而中毒、老化；响应速度快、稳定性好；利用物理特性，没有化学反应，防爆性好；信噪比高，抗干扰能力强；使用寿命长；测量精度高。缺点：测量范围窄；怕灰尘、潮湿，现场环境要好，需要定期对反射镜面上的灰尘进行清洁维护；现场有气流时无法检测；价格较高。八、磁学式气体分析传感器在磁学式气体分析传感器中，常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧量分析传感器，利用的是空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理。其氧量的测量范围宽，是一种十分有效的氧量测量传感器。常用的有热磁对流式氧量分析传感器（按构成方式不同，又可细分为测速热磁式、压力平衡热磁式）和磁力机械式氧量分析传感器。主要用途：用于氧气的检测，选择性极好，是磁性氧气分析仪的核心。其典型应用场合有化肥生 产、深冷空气分离、火电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产中氧的控制和连锁，废气、尾气、烟气等排放的环保监测等。九、气相色谱式分析仪基于色谱分离技术和检测技术，分离并测定气样中各组分浓度，因此是全分析传感器。在发电厂锅炉试验中，已有应用。工作时，从进样装置定期采取一定容积的气样，在流量一定的纯净载气（即流动相）携带下，流经色谱柱，色谱柱中装有称为固定相的固体或液体，利用固定相对气样各组分的吸收或溶解能力的不同，使各组分在两相中反复进行分配，从而使各组分分离，并按时间先后流出色谱柱进入检测器进行定量测定。根据检测原理，气相色谱式分析仪又细分为浓度型检测器和质量型检测器两种。浓度型检测器测量的是气体中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。质量型检测器测量的是气体中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器某组分的量成正比。常用的检测器有TCD热导检测器、FLD氢火焰离子化检测器、HCD电子捕获检测器、FPD火焰光度检测器等。优点：灵敏度高，适合于微量和痕量分析，能分析复杂的多相分气体。不足：定期取样不能实现连续进样分析，系统较为复杂，多用于 试验室分析用，不太适合工业现场气体监测。十、其他气体传感器1.超声波气体探测器这种气体探测器比较特殊，其原理是当气体通过很小的泄漏孔从高压端向低压端泄漏时，就会形成湍流，产生振动。典型的湍流气流会在差压高于0.2MPa时变成因素，超过0.2MPa就会产生超声波。湍流分子互相碰撞产生热能和振动。热能快速分散，但振动会被传送到相当远的距离。超声波探测器就是通过接收超声波判断是否有空气泄漏。这类探测器通常用于石油和天然气平台、发电厂燃气轮机、压缩机以及其它户外管道。2.磁氧分析仪这种气体分析仪是基于氧气的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象，测量混合气体中氧气的一种物理气体分析设备。这种设备适合自动检测各种工业气体中的氧气含量，只能用于氧气检测，选择性极好。

随着科技和工业技术的快速发展，人们对材料的硬度、强度、耐磨损、热膨胀系数及绝缘性能等提出了更高的要求。而高技术陶瓷作为继钢铁、塑料之后公认的第三类主要材料，一直以来在突破现有合金和高分子材料的应用极限方向被人们寄以厚望。其中，氮化硅陶瓷因具有优异的低密度、高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化等诸多优点，成为了最具发展潜力与市场应用的新型工程材料之一，在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的应用价值，已被广泛应用在精密机械、电气电子、军事装备和航空航天等领域。但另一方面，工程陶瓷具有硬、脆的特性，使得其机械加工性能较差，因此磨削已成为陶瓷零件的主要加工方式。 工程陶瓷在磨削过程中，工件的表面受剪切滑移、剧烈摩擦、高温、高压等作用，很容易产生严重的塑性变形，从而在工件表面产生残余应力。残余应力将会直接影响工程陶瓷零件的断裂应力、弯曲强度、疲劳强度和耐腐蚀性能。工程陶瓷零件的断裂应力和韧性相比于金属对表面的应力更为敏感。关于残余压应力或拉应力对材料的断裂韧性的影响，特别是裂纹的产生和扩展尚需进一步的研究。零件表面/次表面的裂纹极大地影响着其性能及服役寿命。因此，探索工程陶瓷的残余应力与裂纹扩展的关系就显得尤为重要。 Huli Niu等人为了获得高磨削表面质量的工程陶瓷，以氮化硅陶瓷为研究对象，进行了一系列磨削实验。研究表明：(1)提高砂轮转速、减小磨削深度、降低进给速率有利于减小氮化硅陶瓷的纵向裂纹扩展深度。氮化硅陶瓷工件在磨削后，次表面的裂纹主要是纵向裂纹，该裂纹从多个方向逐渐向陶瓷内部延伸，最终导致次表面损伤。(2)氮化硅陶瓷表面的残余压应力随着砂轮转速的增加、磨削深度和进给速度的减小而增大。平行于磨削方向的残余压应力大于垂直于磨削方向的残余压应力。(3)砂轮转速和磨削深度的增加、进给速率增大时，磨削温度有升高的趋势。在磨削温度从300℃上升到1100℃过程中，表面残余压应力先增大后减小；裂纹扩展深度先减小后增加。在温度约为600℃时，表面残余压应力最大，裂纹扩展深度最小。适当的磨削温度可以提高氮化硅陶瓷的表面残余压应力并抑制裂纹扩展。(4)氮化硅陶瓷表面残余压应力随裂纹扩展深度和表面脆性剥落程度的增加而减小。裂纹扩展位置的残余应力为残余拉应力。它随着裂纹扩展深度的增加而增加。此外，残余应力沿进入表面的距离在压缩和拉伸之间交替分布，在一定深度处这种情况消失。(5)通过调整磨削参数、控制合适的磨削温度，可以提高氮化硅陶瓷磨削表面质量。 以上研究结果为获得高质量氮化硅陶瓷的表面加工提供了强有力的数据支撑。关于Huli Niu等人的该项研究工作，更多的内容可参考文献[1]。 Figure 1. Grinding experiment and measuring equipment: (a) Experimental principle and processing (b) SEM (c) Residual stress analyzer.Figure 6. Surface residual stress under different grinding parameters: (a) Wheel speed (b) Grinding depth (c) Feed rate.上述图片内容均引自文献[1]. 作者在该项研究工作中所使用的残余应力检测设备为日本Pulstec公司推出的小而轻的便携式X射线残余应力分析仪-μ-X360s。该设备采用了圆形全二维面探测器技术，并基于cosα残余应力分析方法可基于多达500个衍射峰进行残余应力拟合，具有探测器技术先进、测试精度高、体积迷你、重量轻、便携性高等特点，不仅可以在实验室使用，还可以方便携带至非实验室条件下的各种车间现场或户外进行原位的残余应力测量。我们期待该设备能助力更多的国内外用户做出优秀的科研工作！ 小而轻的便携式X射线残余应力分析仪-μ-X360s设备图 参考文献：[1] Yan H, Deng F, Qin Z, Zhu J, Chang H, Niu H, Effects of Grinding Parameters on the Processing Temperature, Crack Propagation and Residual Stressin Silicon Nitride Ceramics. Micromachines. 2023 14(3):666. https://doi.org/10.3390/mi14030666

导读 氮化处理工艺应用广泛，但有时由于热处理工艺不正确或操作不当，往往造成产品的各种表面缺陷，影响了产品使用寿命。某氮化处理的工件表面出现了内氧化开裂，使用岛津电子探针EPMA对其进行了分析。 科普小课堂 氮化处理的特点：氮化处理是一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。工件进行氮化热处理可显著提高其表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性能、抗疲劳性能以及优秀的耐高温特性，而且氮化处理的温度低、工件变形小、适用材料种类多，在生产中有着大规模应用。 氮化处理的原理：传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入表层内，形成不同含氮量的氮化铁以及各种合金氮化物，如氮化铝、氮化铬等，这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，从而改变了表层的化学成分和微观组织，获得了优异的表面性能。 裂纹产生的原因是什么？ 电子探针分析氮化后的内氧化裂纹：通过之前的系列，已经了解了超轻元素的测试难点以及岛津电子探针在轻元素和超轻元素分析方面的特点和优势。为了查明氮化工件开裂的问题，使用岛津电子探针EPMA-1720直接对失效件的横截面进行元素的分布表征。 岛津电子探针EPMA-1720 结果显示：裂纹内部主要富集元素C和O，工件表面存在脱碳现象，工件内部存在碳化物沿晶分布，氮化层有梯度地向内扩展趋势。氮化处理前工件是不允许出现脱碳现象的，如前期原材料或前序热处理环节中出现脱碳现象，需要机械加工处理掉。内部的沿晶碳化物会造成晶界结合力的减弱，容易造成沿晶开裂。 表1 表面微裂纹横截面元素C、O、N的分布特征 对另一侧的面分析显示，渗氮处理前，试样表面也存在脱碳层。脱碳层如未全部加工掉，将会致使工件表面脱碳层中含有较高浓度的氮，从而得到较厚的针状或骨状高氮相。具有这种组织形态的渗层，脆性及对裂纹的敏感性都很大。而且在表面也有尖锐的不平整凸起，这些都可能会造成后续工艺中的应力集中导致表面微裂纹。 同时也观察到某些合金元素存在些微的分布不均匀现象，不过这些轻微的成分变化，对性能的影响应该不大。 表2 另一侧面表面微裂纹横截面元素C、Mo、O的分布特征 试样腐蚀后进行金相分析。微观组织显示，近表层存在55~85μm的内部微裂纹，氮化后出现连续的白亮层，白亮氮化层并未在内部裂纹中扩散，所以微裂纹应该出现在表面氮化工艺后的环节。 结论 使用岛津电子探针EPMA-1720对某氮化工件表面微裂纹进行了分析，确认了表面的脱碳现象、基体的碳化物晶界分布、氮化过程中氮的近表面渗透扩展以及微裂纹中氧的扩散现象。工件原材料或工件在氮化前进行调质处理的淬火加热时，都要注意防止产生氧化脱碳；如果工件表面已产生了脱碳，则在调质后氮化前的切削和磨削加工中，须将其去除。同时在氮化工艺前需要加入并做好去应力热处理工艺，否则可能内应力过大造成氮化后的表面缺陷。

由中国仪器仪表行业协会主办的第十届中国国际科学仪器及实验室装备展览会于2012年5月15-17日在北京&bull 中国国际展览中心举行，展出面积25000平方米，为历届规模之最。该展览会被业界誉为&ldquo 中国科仪第一展&rdquo 。 长春机械科学研究院作为中国仪器仪表行业协会试验仪器分会理事长单位及中国仪器仪表学会试验机分会秘书处常驻单位应邀参加了此次展会，由经管中心推广部组织展出了新型DDL200型电子万能试验机和先进的RTSS视频引伸计，引起业内专业观众和广大用户的极大关注。 RTSS视频引伸计是基于数字摄像与实时图像处理技术的非接触式光学测量系统，用于精确测量试样的轴向与径向变形。可进行材料变形测量、拉伸试验中的应变控制、裂纹探测、动态拉伸试验中的应变研究、动态与高速试验及震动分析等，具有无接触、高精度、测量范围大、支持破断测量等传统引伸计无法比拟的优点。视频引伸计的采用不仅会提高变形测量精度，提供多媒体的试验结果，还将会扩展传统试验内容，提高整体试验水平，创造新的试验价值。 更多新产品详情请致电垂询或关注长春机械科学研究院网站！

日前，国家自然科学基金委员会公布了2022年度国家重大科研仪器研制项目的评审结果。据统计，上海交通大学、自然资源部第二海洋研究所、中国矿业大学、北京理工大学、中国科学院上海技术物理研究所等，官宣获批2022年度国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（部门推荐）。天津大学、河北工业大学、海南大学、重庆大学、中国石油大学（北京）、福建师范大学、北京理工大学、中国地质大学（武汉）、西安建筑科技大学、南京医科大学等，官宣获批2022年度国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（自由申请）。2022年度国家自然科学基金重大科研仪器研制项目获批统计（部分）序号单位名称项目名称直接经费项目类型1上海交通大学基于超高帧频激光诊断的高温高压湍流燃烧研究装置8005.19万元部门推荐2自然资源部第二海洋研究所智能敏捷海洋立体观测仪8618.69万元3中国矿业大学深地工程多场耦合动力灾变试验仪8523.1万元4北京理工大学分布孔径长时相参行星雷达测量仪/5中国科学院上海技术物理研究所面向红外芯片的光谱与界面功能关系研究的多尺度表征系统/6天津大学超轻超低场主动智能全身磁共振成像仪815万元自由申请7河北工业大学多模态相控阵非线性超声检测原理及仪器研制845万元8海南大学脑血管光子计数显微CT成像与定量分析系统752万元9重庆大学极低温强磁场磁电耦合物性测试系统825万元10暨南大学面向肿瘤乏氧定量研究的小动物光-磁声一体成像设备840万元11中国石油大学（北京）钻井复杂工况井下实时智能识别系统研制/12福建师范大学血管靶向光动力剂量参数定量监测仪796万元13北京理工大学面向情感功能异常神经机制的多模态生理信息异步分析系统/14中国地质大学（武汉）开采扰动地层深部空区随钻内窥系统研制874.4万元15西安建筑科技大学搅拌摩擦固相沉积增材制造及其智能监测装置研制875万元16南京医科大学循环肿瘤细胞精准检-诊智能一体化仪器研制815万元2022年度国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（部门推荐）上海交通大学“基于超高帧频激光诊断的高温高压湍流燃烧研究装置”上海交通大学网站11月17日消息，上海交通大学齐飞教授牵头、联合中国科学院等单位申报的“基于超高帧频激光诊断的高温高压湍流燃烧研究装置”项目获得正式立项，资助直接经费8005.19万元。该项目拟研制一套具有自主知识产权、基于超高帧频激光诊断的高温高压湍流燃烧研究装置，捕捉微秒/微米尺度火焰与流动结构的演变规律，在近真实工况下实现对燃烧流场、组分场、温度场的时间分辨三维多场同步测量，解析传统实验难以测得的高频、小尺度反应区，并揭示高温高压湍流条件下的化学反应机理及反应-流动耦合效应。自然资源部第二海洋研究所“智能敏捷海洋立体观测仪”自然资源部第二海洋研究所10月31日消息，以自然资源部第二海洋研究所为依托单位，陈大可院士为项目负责人的“智能敏捷海洋立体观测仪”项目获正式立项，资助直接经费8618.69万元。据陈大可院士团队介绍，该项目提出以智慧母船为支撑载体，通过空、海、潜无人平台跨域协同组网，研制一套“智能敏捷海洋立体观测仪”，通过解决广域异构无人节点集群组网协同控制、复杂海洋环境下的高可靠跨域异构组网通信、广域跨介质环境下的时间同步与定位导航、数据可视化与科考作业管理、适用于复杂任务场景的多功能无人节点等关键技术问题，实现对复杂海洋任务的智能、快速、同步、立体观测。中国矿业大学“深地工程多场耦合动力灾变试验仪”中国矿业大学网站10月27日消息，该校作为依托单位申报的“深地工程多场耦合动力灾变试验仪”国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)正式立项，获资助直接经费8523.1万元。该项目由中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任袁亮院士作为负责人，安全工程学院王恩元教授、刘晓斐教授和矿业工程学院窦林名教授作为核心骨干参与，联合山东大学、安徽理工大学、中国科学院声学研究所和中国地震局地质研究所共同申报，拟突破多场耦合环境原态模拟、深部地层相似原性重构、动态多元信息原值测定和动力灾变演化原场再现等原理与技术，研制世界首套深地工程多场耦合动力灾变试验仪。北京理工大学“分布孔径长时相参行星雷达测量仪”据北京理工大学科学技术研究院网站消息，8月27日，国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）——“分布孔径长时相参行星雷达测量仪”顺利通过专家评审和现场考察。项目负责人曾涛教授进行了项目汇报，该项目拟瞄准小行星研究中的行星形成、生命起源、物种灭绝等前沿科学问题，实现小行星轨道、形貌及微变化的精细测量，打造国际小行星研究高地，预期研制的分布孔径长时相参行星雷达测量仪将对国家战略部署具有重大意义。以于全院士、洪文研究员为组长的专家组经讨论后一致认为，该项目符合国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）的定位和要求，建议立项。中国科学院上海技术物理研究所“面向红外芯片的光谱与界面功能关系研究的多尺度表征系统”据国家自然科学基金委员会网站消息，8月27日，国家自然科学基金委员会数理科学部组织专家对国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）“面向红外芯片的光谱与界面功能关系研究的多尺度表征系统”开展了现场考察。自然科学基金委副主任谢心澄、数理科学部常务副主任董国轩、项目推荐部门中国科学院条件保障与财务局副局长曹凝等出席会议，项目依托单位中国科学院上海技术物理研究所相关负责人、项目组、自然科学基金委计划与政策局主管人员及数理科学部物理科学一处工作人员参加了考察会。经过充分调研和讨论，形成了现场考察报告，建议尽快立项。2022年度国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（自由申请）天津大学“超轻超低场主动智能全身磁共振成像仪”天津大学电气自动化与信息工程学院网站11月16日消息，由庞彦伟教授牵头，联合首都医科大学附属北京友谊医院、安徽华米信息科技有限公司申报的国家重大科研仪器研制项目“超轻超低场主动智能全身磁共振成像仪”获批立项，项目直接经费815万元。该项目将以深度学习、强化学习、主动感知等人工智能技术为途径，从图像重建、三维扫描、射频收发、电磁噪声抑制、智能超材料信号增强、磁体设计、轻量化设计等方面展开深入研究，力争解决磁共振安全成像、超急性期影像高效获取、空间生命科学观测新手段等难题。河北工业大学“多模态相控阵非线性超声检测原理及仪器研制”河北工业大学网站11月10日消息，胡宁教授主持申报的国家重大科研仪器研制项目“多模态相控阵非线性超声检测原理及仪器研制”获得国家自然科学基金委员会批准立项，项目直接经费845万元。该项目拟开发出高分辨力、高灵敏度、高效的多模态相控阵非线性超声检测仪器。仪器的特色体现在原创的多模态非线性超声相控阵探头上，涵盖多模态相控阵工作模式设计和机理研究、多模态超声探头设计与复合增材制造、多模态相控阵超声大数据获取及验证、基于大数据和深度学习算法的微裂纹与残余应力智能评价软件系统、多模态相控阵非线性超声仪器系统集成等五方面的研究内容与重点突破。包括复杂相控阵声场下微裂纹与残余应力特征评估、复杂微裂纹和残余应力的信号解耦、探头面投影微立体光刻-微滴喷射-电射流复合增材制造等三个关键技术难题。最终实现仪器在现场和远程两种工作模式下对早期微裂纹和残余应力的高精度检测与评价，确保增材制造航空发动机关键零部件的成形质量，为零部件的疲劳寿命和服役性能评估提供指导。海南大学“脑血管光子计数显微CT成像与定量分析系统”海南大学网站11月1日消息，由该校生物医学工程学院院长刘谦教授主持申报的国家重大科研仪器研制项目“脑血管光子计数显微CT成像与定量分析系统”获国家自然科学基金委批准立项，直接经费达752万元。该项目聚焦活体小动物原位定量成像的关键技术难点，在设计原理上融合了X射线吸收光谱分析、超分辨率重构、原位减影和低剂量成像方法等多学科知识，研制脑血管光子计数显微CT成像与定量分析系统。重庆大学“极低温强磁场磁电耦合物性测试系统”重庆大学前沿交叉学科研究院11月1日消息，由重庆大学前沿院量子材料与器件研究中心执行主任孙阳教授主持申报的“极低温强磁场磁电耦合物性测试系统”批准立项，资助直接经费825万元。该项目研制的科研仪器可实现在极低温（50mK）、强磁场（12T）环境下磁电耦合及相关物性的精确测量，将填补国内在此方面的空白，可为研究量子材料在极低温下的新物理、新现象和新效应提供独特的实验技术，推动开辟凝聚态物理新的前沿方向。暨南大学“面向肿瘤乏氧定量研究的小动物光-磁声一体成像设备”暨南大学附属第一医院11月1日消息，由张水兴教授团队申报的“面向肿瘤乏氧定量研究的小动物光-磁声一体成像设备”获批立项，项目经费840万元。该仪器项目开创性地将新兴的磁声成像技术引入到小动物活体成像设备中，与光声技术融合互补，将实现对肿瘤的氧合水平、分子应答、血管演变等乏氧相关多靶标、多参数的同机采集，满足肿瘤乏氧的精准定量及可视化研究需求。中国石油大学（北京）“钻井复杂工况井下实时智能识别系统研制”中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室11月1日消息，由李军教授负责的“钻井复杂工况井下实时智能识别系统研制”项目获立项资助。该项目由中国石油大学（北京）联合北京工业大学、北京信息科技大学、中国石油集团工程技术研究院有限公司等高校和企业共同承担。项目聚焦钻井复杂工况井下实时智能识别难题，提出了井下工程参数双点测量、复杂工况原位智能识别、分析结果实时上传的创新思路，围绕多参数集成测量结构相间干扰特性、井下复杂工况产生机理模型及各工程参数映射关系、井下复杂工况特征数据库及智能识别模型等关键科学问题开展研究。福建师范大学“血管靶向光动力剂量参数定量监测仪”据福建日报报道，福建师范大学李步洪教授牵头申报的“血管靶向光动力剂量参数定量监测仪”获国家重大科研仪器研制项目资助，资助经费796万元。北京理工大学“面向情感功能异常神经机制的多模态生理信息异步分析系统”北京理工大学医学技术学院10月31日消息，北京理工大学医学技术学院主持的国家重大科研仪器研制项目“面向情感功能异常神经机制的多模态生理信息异步分析系统”获批资助。该项目将研发集数据获取、分析和传输为一体的全异步架构多模态生理信息分析系统，突破同步时钟电路的技术局限，以更契合人体神经脉冲触发的方式分析信号的时序性和因果关系；同时，研究适合异步信号特点的多模态融合分析算法，建立多模态生理信号的时序作用规律模型。中国地质大学(武汉)“开采扰动地层深部空区随钻内窥系统研制”中国地质大学(武汉)工程学院10月31日消息，焦玉勇教授主持申报的国家重大科研仪器研制项目（自由申请类）“开采扰动地层深部空区随钻内窥系统研制”获批立项，项目直接经费874.4万元。该项目面向国家深部矿山动力灾害防控和事故应急救援重大前沿需求，拟研发“地质钻进—内窥成像”同步进行的一体化科学探测仪器，形成具有我国自主知识产权的重大科学装置，实现深部煤矿地下空区内部形态的清晰窥视和几何重构，为冲击地压、矿震等深部矿山动力灾害的有效防控提供科学依据，同时也为深井事故应急处治提供急需手段。西安建筑科技大学“搅拌摩擦固相沉积增材制造及其智能监测装置研制”西安建筑科技大学网站10月29日消息，冶金工程学院王快社教授主持的“搅拌摩擦固相沉积增材制造及其智能监测装置研制”项目获批立项，资助经费875万元。该项目面向先进制造学科前沿和国家重大需求，拟突破固相增材制造原理，创新核心控制技术和关键物理参量智能监测技术，研制专门应用于搅拌摩擦固相沉积增材制造机理研究的科研仪器。南京医科大学“循环肿瘤细胞精准检-诊智能一体化仪器研制”南京医科大学转化医学研究院10月28日消息，该校第二附属医院张业伟教授申报的《循环肿瘤细胞精准检-诊智能一体化仪器研制》获准立项。该项目将聚焦肿瘤精准诊疗，通过自主创新、机制突破揭示肿瘤的发生、发展机制，重点在肝癌、肺癌、前列腺癌等领域，通过发现肿瘤特异性标记物，实现精准诊断，制定个性化治疗方案。该项目将实现检测和诊断的一体化智能化，高精度获取、高灵敏分析、高精准识别，最大程度利用一台机器解决问题。国家重大科研仪器研制项目面向科学前沿和国家需求，以科学目标为导向，资助对促进科学发展、探索自然规律和开拓研究领域具有重要作用的原创性科研仪器与核心部件的研制，以提升我国的原始创新能力。国家重大科研仪器研制项目包括部门推荐和自由申请两个亚类，研究期限5年。

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碳化硅作为一种新兴的半导体材料，具有导热率高、宽禁带、高击穿电场、高电子迁移率等特性，使得其成为目前研发比较集中的半导体材料之一。因为这些性能，碳化硅可以广泛地应用于衬底、外延、器件设计、晶圆制造等多个领域。据中研普华产业研究院发布的报告显示，2023年中国碳化硅外延设备市场规模约为13.07亿元，预计到2026年将增至26.86亿元，由此可见其巨大的潜力市场。然而在实际应用过程中，碳化硅非常硬，莫氏硬度约为9.5，接近于金刚石，导致其在抛光研磨过程中存在一定的难点，给现有的加工技术带来了巨大的挑战。金属摩擦诱导反应磨削技术金属摩擦诱导反应磨削技术主要是以金属摩擦诱导化学作用为原理，在反应变质层的不断生成及去除的循环过程中，实现碳化硅的高速去除。碳化硅虽然莫氏硬度非常高，但它不适用于加工黑色金属，因为碳化硅会在高温下分解，碳原子和硅原子会扩散到金属中形成金属硅化物和不稳定的金属碳化物，在冷却过程时逐步进行分解，造成磨损极其严重。根据这一特点，人们推断纯金属可以与碳化硅在一定条件下发生化学反应。在实验过程中，碳化硅衬底的碳面往往有着近乎无损伤的表面，而硅面存在大量裂纹、位错、层错和晶格畸变等晶体缺陷。用铁摩擦碳化硅衬底的碳面材料去除率可达330µ m/h。用纯镍摩擦碳化硅衬底的硅面材料去除率为534µ m/h。目前这一方法的相关研究较少，主要聚焦在小尺寸的碳化硅加工上，但它在碳化硅衬底磨抛和碳化硅芯片减薄加工中具有巨大的潜力。溶胶凝胶抛光技术溶胶凝胶抛光技术是一种绿色、高效的抛光方法，通过使用半固结磨料和柔性基材，借助软质基体所拥有的柔性特点，实现了磨粒的“容没”效应，以在极硬半导体衬底上实现超光滑和低缺陷密度的表面。这种方法结合了化学和机械作用，可以在不造成严重表面或亚表面损伤的情况下，有效的抛光极硬半导体衬底。与传统CMP相比，溶胶凝胶抛光技术能够在短时间内显著降低表面粗糙度，并实现较高的材料去除率；软质基体由于具有较好的柔韧性，可以在较低的抛光压力下工作，减少对工件和设备的压力需求，减少磨粒的磨损和脱落，延长磨粒的使用寿命。前驱体物质（通常是金属有机化合物）转化为溶胶，通过水解和缩合反应形成凝胶，在溶胶-凝胶抛光垫中，磨粒被部分固定在凝胶基质中，这样可以在保持磨粒活动性的同时，提供一定的机械强度。国内学者利用这一技术对HTHP单晶金刚石（111）面进行加工，抛光22h后，表面粗糙度从230nm降至1.3nm。磨粒划擦诱导碳化硅水反应的磨抛技术磨粒划擦诱导碳化硅水反应的磨抛技术是一种先进的材料加工技术，主要应用于碳化硅等硬脆材料的精密加工。这项技术利用磨粒在加工过程中对碳化硅表面产生的划擦作用，结合水反应来改善材料的去除效率和表面质量。通过控制磨粒的容没效应，使得磨粒保持在同一高度上，通过磨粒划擦诱导碳化硅表面生成非晶碳化硅，非晶碳化硅与水可以反应生成软质二氧化硅，再通过磨粒划擦去除二氧化硅的变质层。在纳米尺度中，碳化硅衬底表面在金刚石等压头的反复机械作用下会被诱导成非晶化的碳化硅。非晶化的碳化硅和水反应生成二氧化硅的影响因素包括载荷、接触状态、速度和温度，通过对这一过程的合理利用，可以使碳化硅衬底的加工效率、表面质量得到显著的提升，可以合理避免裂纹的产生。当前以CMP为代表的化学反应研磨抛光技术是加工碳化硅衬底的重要手段，但加工效率非常低，材料去除率只能达到0.5µ m/h左右，而金属摩擦诱导反应磨削技术可以达到300-500µ m/h。目前有关于这部分的研究还较少，在后续表面的处理、材料的选用等还有待进一步的优化，相信在未来，以机械诱导为主的反应磨抛技术可以给我们带来更多的惊喜！

近日，山西大学激光光谱研究所陈旭远教授和王梅教授等人在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表文章《Vertical Graphene Canal Mesh for Strain Sensing with a Supereminent Resolution》，报导了一种基于三维竖直石墨烯(Vertical Graphene, VG)的超低检测限应变传感器。 　　微应变传感器的发展为微型机器人、智能人机交互、健康监测和医疗康复等众多领域提供了广阔的前景。高分辨率的柔性应变传感器可广泛应用于多种柔性可穿戴电子设备中，有助于提升设备探测灵敏度并保证亲肤性。目前，已有诸多活性材料在柔性传感器中展示了良好的应用效果，如碳纳米管、银纳米线、MXene等。但是具有极高分辨率的柔性应变传感器仍然是应变传感器研究中的一项挑战。 　　作者通过设计三维石墨烯微观和宏观结构制作了网状结构的应变传感器(VGCM)，使其在0-4%的总应变范围内实现了低至0.1‰的应变精确响应，获得了极高的分辨率。同时通过实验验证及理论模拟揭示了VG在应变过程中微裂纹的演化规律和电阻变化机理。 图1 基于VGCM的应变传感器制备过程及VGCM的SEM图像 　　此工作以铜网为模板，利用等离子化学增强气相沉积法在铜网上生长了VG。利用化学刻蚀去除铜网后获得中空网状VGCM结构。这种网状结构使得拉伸应力集中，增强了应变过程中的电阻变化，实现了对低至0.1‰的微小应变的高分辨响应。 图2 拉伸过程中的应力分布示意图 　　有限元模拟展示了VGCM在拉伸过程中的应力分布。结果显示VGCM的中空管道结构使得应力集中分布在管状VGCM的顶端和底部。同时，三维石墨烯竖直结构也会导致应力在竖直结构之间形成集中。 图3 VGCM传感器传感原理图；VGCM应变中的SEM图像；VG和2D石墨烯应力分布模拟图 　　进一步通过实验验证了在拉伸情况下，应力集中产生裂纹且主要分布在中空管道顶端和底部。裂纹的产生加速了电阻的增加，从而提高了VGCM的灵敏度和分辨率，与模拟结果完全吻合。VGCM传感器利用了三维石墨烯的微观结构和网状的宏观结构的协同作用，使得应力集中，增大了电阻在拉伸过程中的变化，赋予了VGCM传感器卓越的分辨率和良好的应用前景。

超声红外热成像技术具有选择性加热、可检测复杂工件裂纹缺陷的优点，是一种具有很大研究价值的无损检测方法。近期，南京诺威尔光电系统有限公司和上海复合材料科技有限公司的科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“超声红外热成像技术国内研究现状与进展”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为江海军，主要从事红外无损检测技术及图像处理方面的研究工作。本文介绍了超声红外热成像技术原理与系统组成，并对国内的发展历程、发展现状进行了回顾和总结。重点针对仿真研究、复合材料损伤、疲劳裂纹、金属构件裂纹、混凝土零件裂纹应用领域的研究现状进行了详细论述，最后展望了超声红外热成像技术的未来发展趋势。超声激励系统装置超声红外热成像系统一般包括超声激励源、红外图像采集系统、红外图像处理系统；超声激励源包括超声电源、超声换能器、超声枪，红外采集系统主要使用红外热像仪采集红外图像，超声红外热成像系统原理如图1所示。红外图像采集和超声激励之间需要同步，当超声枪头能量注入到试件表面时，红外热像仪开始采集图像，采集红外图像包括缺陷升温过程和降温过程。图1 超声红外热成像技术原理超声红外热成像检测技术最早由美国弗吉尼亚大学于1979年开始研究，2000年，美国韦恩州立大学的Lawrence Dale Favro等人首先使用超声波焊接发生器作为超声激发源进行金属疲劳裂纹检测。2003年，南京大学张淑仪等采用超声红外热成像技术对铝合金板疲劳裂纹进行了检测研究。近年来，国内有很多团队对超声红外热成像技术进行研究，研究重点包括理论仿真、金属裂纹检测、疲劳裂纹检测、航空发动机叶片裂纹检测、复合材料冲击损伤。北京航空航天大学研究人员主要研究复合材料脱粘/冲击缺陷；哈尔滨工业大学研究人员主要研究金属表面裂纹以及超声锁相红外热成像技术；陆军装甲兵学院研究人员主要研究仿真、超声激励参数（预紧力，夹具，激励方式，激励位置）对检测结果的影响，并将该技术引入到装甲设备缺陷检测；湖南大学研究人员主要对复合材料平底孔缺陷以及冲击损伤缺陷进行研究；火箭军工程大学主要研究合金钢裂纹缺陷、复杂型面裂纹缺陷、复合材料冲击损伤；福州大学研究人员主要研究超声激励参数（不同方向、频率、幅值）对金属焊缝裂纹缺陷的影响；西南交通大学研究人员主要研究超声激励对混凝土板裂纹的检测；南京水利科学研究院研究人员主要研究激发频率、功率、预紧力、声波吸收能力对混凝土裂纹检测的影响；中国南方航空工业有限公司和南京诺威尔光电系统有限公司研究人员主要研究航空发动机喷涂前和喷涂后叶片裂纹检测；武汉理工大学研究人员主要研究复合材料的螺栓连接件裂纹缺陷和分层缺陷的检测。超声红外热成像系统的核心是预紧力单元和夹具单元，预紧力单元一般靠机械弹簧或者气动系统产生预紧力；夹具单元需要根据检测试件的结构进行优化设计，夹具单元采用医用胶带或者刚性耦合方式把超声耦合进试件中，从而会使得各研究机构的系统装置有所差异，图2展示了部分研究机构的超声红外热成像系统装置。图2 超声红外热成像系统装置主要应用领域仿真研究金国锋对不同曲率复合材料裂纹缺陷进行仿真，仿真结果表明构件曲率越大，温升阶段斜率越大，缺陷信号越容易被激化。田干等用数值仿真方式研究了多模式超声激励形态，仿真结果表明多模式激励方法对于消除驻波非常有效，同时产生更为丰富的次谐波和高次谐波，可有效提高超声激励红外热成像技术的检测能力。徐欢等采用ANSYS和ABAOUS仿真软件对裂纹进行三维仿真，结合模态和谐响应分析手段，可以获取裂纹试件固有频率，对超声激励频率和裂纹生热提供了相关理论依据。郭怡等对宽度为10 μm钛合金裂纹进行了检测，并采用ANSYS模拟数值分析，与试验数据基本一致。蒋雅君采用ANSYS对混凝土板裂纹进行仿真，为混凝土裂纹检测提供了理论依据。复合材料损伤复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、耐老化、耐热性的优点，广泛应用在航空航天、新能源、建筑、汽车、体育等领域。复合材料在低速冲击下，承载能力弱、抗冲击性能差，容易出现基体开裂、分层、断裂等。J. Rantala、G. Busse等最早采用超声红外热成像技术检测复合材料内部缺陷。田干等采用超声红外热成像技术对航空复合材料进行数值仿真研究，建立含裂纹缺陷复合材料的有限元模型。金国锋、张炜等通过数值计算和试验研究了超声红外热成像技术对复合材料冲击损伤检测的适用性；吴昊等对复合材料螺栓连接件损伤检测，分析了螺栓预紧力对螺栓孔损伤生热特性的影响。李胤等研究了复合材料在不同冲击能量（24 J和29 J）的冲击损伤情况，检测结果与C扫进行对比，实验结果表明超声红外热成像技术具有检测速度快、检测精度高、结果直观的优点。杨正伟等研究复合材料在不同冲击能量（15 J和30 J）冲击下，复合材料分层损伤情况，检测结果与超声C扫进行对比，试验结果表明超声C扫损伤检测误差在30%，超声红外热成像损伤检测误差在5%。图3为作者采用超声红外热成像系统在不同低速冲击能量（10~50 J）下，复合材料冲击损伤检测图像，从图中可以看出冲击能量越大，损伤区域面积越大，且对于编织型复合材料，损伤裂纹具有延展性。图3 不同冲击能量试件检测图像疲劳裂纹闵庆旭等验证了超声红外热成像技术可用于金属疲劳裂纹的检测；高治峰等对航空航天7075铝合金疲劳裂纹进行检测，模拟和试验研究了激励参数和生热关系，并研究了检测参数对检测效果的影响；激励源距离裂纹15 mm时，检测效果最佳，侧面激励和正面激励都可以检测出7075铝合金疲劳裂纹，但侧面激励效果好于正面激励。郭伟等对喷涂层下基体疲劳裂纹进行检测研究，涂层厚度为300~400 μm，该方式可用于拉-拉疲劳载荷的二次拉伸制备的疲劳裂纹。韩梦等模拟裂纹开口宽度（5~30 μm）对激励后最高温度影响，开口宽度增加导致裂纹面接触降低和摩擦作用的减弱，导致开口宽度越大，最高温度反而越低，最后通过试验进行验证，如图4所示制作的宽度为20 μm疲劳裂纹以及检测结果。图4 金属疲劳裂纹检测金属构件裂纹金属构件，特别是异形结构的金属构件，其内部或者表面裂纹缺陷采用光激励红外热成像技术检测都难以实现检测。Guo等检测重型铝制飞机结构裂纹，发现该技术对闭合裂纹的探测效果良好。李赞等对金属构件裂纹发热情况开展研究，研究表明当激励于最佳位置时，裂纹发热最高。江涛等对汽车轮毂裂纹进行了检测，同时采用磁粉检测技术进行对比研究，对比研究发现超声红外热成像技术可以更好检测出轮毂内部裂纹以及看出裂纹延伸方向。敬甫盛等对35 kg重量的铁路机车钩舌进行裂纹检测，检测出中部L型裂纹和角端裂纹。冯辅周等对装甲车底板裂纹展开研究，表明该技术能够在3.5 s内实现对装甲车底板裂纹快速检测。作者采用超声红外热成像系统对8 kg锻钢块进行裂纹检测，裂纹位于试件端面，如图5所示，图5(a)为试件整体外观，图5(b)为试件端面图像，可以看出有一条无分叉的裂纹；检测结果如图6所示，展示了激励前后检测到图像的变化，对比激励前后图像可知，有一条裂纹信息，并且裂纹分叉了，存在一条隐裂纹，图6(c)中圈出部分，表明该技术可以探测到人眼看不见的裂纹信息。图5 锻钢块试件图6 锻钢块试件检测结果航空发动机叶片裂纹航空发动机叶片在交变拉应力、热腐蚀、扭转应力、高速冲击等复杂载荷的作用下，叶片容易生成裂纹。服役过程中，叶片裂纹在大应力作用下，小裂纹会扩展为大裂纹从而危害飞行安全。航空发动机叶片复杂，传统无损检测在复杂叶片时有各自的局限。借助超声红外热成像对试件形状不敏感的特点，国内外学者广泛开展了研究工作。Bolu等采用超声红外热成像技术对60个涡轮叶片进行检测，评估该技术对叶片裂纹检测的可靠性。寇光杰等采用ANSYS仿真模拟了合金钢叶片裂纹生热过程，采用激光切割预制裂纹进行检测，并分析了预紧力对检测效果的影响。苏清风对导向叶片和工作叶片服役过程中产生的裂纹进行检测，并测试预紧力对检测结果的影响。习小文等对航空发动机工作叶片进行研究，同时采用渗透检测进行比对，试验结果表明超声激励红外热成像可以检测出裂纹宽度为0.5 μm的裂纹信息，渗透检测无法检出，表明该技术对微小裂纹检测有优势。袁雅妮等针对2块无涂覆层和3块带涂覆层空腔叶片进行检测，并用荧光检测进行对比，结果发现荧光检测对于涂覆层空腔叶片容易出现漏检，表明超声红外热成像技术对受到叶片结构及涂覆层影响更小，能够检测含涂覆层空腔叶片裂纹。图 7为作者采用超声红外热成像系统对航空发动机工作叶片进行检测，同时采用渗透检测进行对比，图7(a)为工作叶片光学图像，图7(c)为超声红外热成像检测结果，可以看到叶片中部有一个裂纹，图7(b)为渗透检测结果，除了叶片中部裂纹，在叶片四周由于清洗渗透剂不干净，导致叶片边缘也会出现零星亮点区域。图7 工作叶片裂纹检测混凝土零件裂纹混凝土结构常见的缺陷是混凝土裂纹，裂纹严重削弱了混凝土结构的承载水平，加速了结构的老化程度，并严重影响了结构的安全性和耐久性。裂纹很难避免。一般来说，这项工作的主要目的是检测和处理裂纹。谢春霞等基于红外热像检测方法推导出了混凝土缺陷深度的定量计算公式；胡振华等以混凝土结构缺陷为检测目标，采用超声红外热成像检测技术对其进行了检测分析，证明了超声红外热成像缺陷检测技术对混凝土试件中肉眼不能发现的微小裂纹或隐裂纹的检测能力。Jia Yu等使用振动热成像技术检测混凝土零件中的裂缝，开发了声激励设备（声波和超声以及低功率和高功率激发设备），并研究了激发频率，功率和预紧力对声吸收能力的影响。Jia Yu等预制了充满标准微裂纹的预裂混凝土标本，以量化裂纹的可检测性，结果表明，超声激发热成像可以有效地检测出宽度为0.01~0.09 mm的混凝土裂缝。任荣采用ANSYS仿真研究V形裂缝混凝土板裂纹生热机理，并对激励位置、激励时间、激励频率等影响因素进行了模拟分析，图8所示为混凝土裂纹检测图像，圈出部分为裂纹区域。图8 混凝土裂纹检测发展趋势超声红外热成像技术在金属材料中可识别0.5 μm宽度的裂纹，在复合材料中可识别1.0 μm的裂纹，在混凝土材料中可识别10 μm量级的裂纹。超声红外热成像技术具有选择性加热的特点，仅对裂纹区域加热，正常区域不加热，可检测复杂结构试件，非常适合于金属裂纹、混凝土裂纹、航空航天叶片裂纹、复合材料损伤等材料的检测。超声激励方式与光激励方式不同，光激励方式系统比较统一；超声激励方式由于试件结构复杂，同时需要夹具固定试件并对激励头施加预紧力，例如金属疲劳裂纹夹具、航空发动机工作叶片夹具、航空发动机导向叶片夹具都不同，需要根据试件制作各自合适的夹具，系统比较复杂与多样，但如果针对同一类型的试件，可以制作统一的夹具、形成标准化的检测流程，因此超声红外热成像技术具有广阔发展前景，未来的研究重点包括以下3个方向：1）激励装置的优化。激励装置需要具备夹具单元和预紧力单元，夹具单元需要根据检测试件单独设计，预紧力单元有机械结构和气动结构。机械结构体积小、设计简单，但施加/释放预紧力需要手动旋转手柄；气动结构体积大、设计复杂，但可设计为自动施加预紧力和释放预紧力，从而可以实现集超声激励、自动装配、红外图像采集、红外图像处理一体化集成的超声红外热成像系统，以便适用于工业领域裂纹检测。2）检测标准化。超声激励与光激励具有很大不同，超声激励与检测人员经验有关，超声激励位置、超声激励时间、超声耦合效率都会影响检测结果。因此针对该技术形成统一检测规范和技术，可以加速该技术工程实践应用。3）缺陷检测自动化识别。超声红外热成像需要采集数百帧序列图像，从采集数百帧序列图像中识别出缺陷信息，相比于自动视觉检测，该方式需要人工判断、准确度依赖于检测人员主动判断，容易导致缺陷识别出现误检、漏检等情况。随着人工智能深度学习的兴起，深度学习模型具有图像特征信息感知能力，在大量数据训练的基础上，更容易实现缺陷的自动检测。结语与展望超声红外热成像技术经过几十年的发展，在生热特性、仿真研究、缺陷可检测性和检测材料应用领域取得了突出进展，但是在工业应用方面落后于光激励红外热成像技术；闪光灯红外热成像技术已形成国家标准，应用在飞机复合材料胶接质量、航天飞机耐热保护层脱粘检测、热障涂层缺陷检测等，并且有成熟的工业检测设备。目前超声红外热成像技术还基本处于实验室阶段，随着科学技术的发展，工业特别是航空航天对裂纹检测需求的提高，超声红外热成像技术也会从实验室逐步进入到工业、航天航天应用领域。论文链接：http://hwjs.nvir.c n /cn/article/id/6e1aff8c-e3f5-4c4d-aedd-d6074696f17a

晶界在金属晶体材料中分布广泛，对金属材料各项力学性能具有重要影响，其中晶界可以强化材料，但界面处应力集中会导致疲劳损伤开裂。1984年日本东北大学Watanabe教授提出晶界设计（GBD: Grain-boundary Design）和晶界工程（GBE: Grain-boundary Engineering）的概念，希望通过在延性多晶体中引入性能好的界面来提高材料的综合性能，这为通过调控晶界类型和分布来设计高性能材料提供了新的思路。 为了揭示各种不同晶界对金属材料疲劳损伤机制的影响，中国科学院金属研究所张哲峰研究员团队前期借助于铜双晶体对各种大角晶界和小角晶界疲劳开裂机制进行了系统研究（Zhang ZF and Wang ZG, Prog. Mater. Sci. 53 (2008) 1025-1099）。鉴于孪晶界面与位错交互作用的特殊性，孪晶界面是否具有较高的疲劳抗力值得期待。然而，由于含有孪晶界面大块样品制备困难，对孪晶界面疲劳开裂机制的认识十分有限。过去十余年，张哲峰团队设计和制备了含有不同生长孪晶界面大块铜双晶体，同时，开展了大量含有退火孪晶界面铜及铜合金多晶体的疲劳研究。近期，孪晶界面疲劳损伤开裂机制的研究进展受邀发表在材料科学综述刊物Progress in Materials Science上，其中李琳琳为论文第一作者，张振军项目研究员和张哲峰研究员为论文通讯作者。本文对孪晶界面疲劳开裂机制的新认识如下： 双晶共格孪晶界面疲劳开裂机制：共格孪晶界面与加载轴的夹角决定了两侧晶粒内开动的主滑移系，对其界面疲劳损伤机制起决定性作用。当共格孪晶界面与加载轴成20°-70°时，受附加应力及特殊位错滑移的影响，滑移带易于集中在共格孪晶界面附近，因而疲劳裂纹优先沿共格孪晶界面萌生和扩展（如图1（II-IV）所示）；而当共格孪晶界面近似平行或垂直于加载轴时，滑移带或完全穿过共格孪晶界面，或因取向较硬受限与界面附近，塑性变形主要集中于晶内滑移带处，使滑移带优先萌生疲劳裂纹（如图1(I)、(V)所示）。 双晶非共格孪晶界面疲劳开裂机制：非共格孪晶界疲劳开裂也表现出一定的取向性，当非共格孪晶界垂直于加载轴时（图2(a,b)），孪晶界面两侧晶粒内位错滑移方向相同但滑移面相交，位错易于在非共格孪晶界处塞积而优先疲劳开裂；当非共格孪晶界平行或倾斜于加载轴一定角度时（图2(c,d)），界面两侧位错滑移可以穿过非共格孪晶界，并且非共格孪晶界面自身可发生迁移，因而非共格孪晶界处应变相容性较好，此时，滑移带优先发生疲劳开裂。 多晶体孪晶界面疲劳开裂机制：多晶体疲劳过程中孪晶界附近应力状态复杂，与双晶中孪晶开裂稍有不同。团队利用原创的晶体滑移形貌定取向方法，对不同成分或层错能的铜合金多晶体中孪晶界疲劳开裂行为进行了系统研究，结果发现：铜合金的层错能越低，孪晶界两侧的取向差越大，位错越容易在孪晶界处产生塞积，因而孪晶界越容易疲劳开裂，反之，则是滑移带更容易疲劳开裂。通过提炼晶体取向Schmid因子差和合金层错能，结合位错塞积理论，建立了层错能和取向为参数的孪晶界面疲劳开裂定量判据（图3）。 结合对大、小角晶界疲劳开裂行为的前期研究结果，可以给出各种不同晶界疲劳开裂阻力从大到小顺序为：小角晶界＞孪晶界＞大角晶界，其中孪晶界面疲劳开裂阻力取决于两侧晶体取向差和合金层错能大小。当孪晶界面对两侧位错运动阻碍较强时，会对材料产生明显的强化作用，孪晶界面容易发生疲劳开裂，因此接近于大角晶界特征；当孪晶界面对两侧位错运动阻碍较小时，孪晶界面不容易发生疲劳开裂，但对材料也几乎不产生强化作用，因此与小角晶界作用相似（图4）。 上述研究工作得到了国家自然科学基金重大、杰青、重点和面上项目的长期资助（50571104、50625103、50890173、51171194、51471170、51501197）以及中国科学院青年促进会（2021192）项目及教育部科研业务费的资助。 全文链接图1 铜双晶体共格孪晶界与加载轴呈不同倾角时对应的疲劳损伤机制。图2 铜双晶体中非共格孪晶界与加载轴呈不同倾角时疲劳损伤行为。界面垂直于加载轴时(a) 界面疲劳裂纹与(b)主滑移系；界面倾斜一定角度时(c)主滑移系与(d)滑移带裂纹。图3 层错能和晶体取向对铜合金多晶体滑移带与孪晶界疲劳开裂转变机制的协同影响。图4 大角晶界、孪晶界、小角晶界低周疲劳损伤开裂难易程度比较。