损伤机理范文（精选8篇）
损伤机理 第1篇
本工作采用超音速等离子喷涂技术制备铁基自溶性合金涂层,以球盘式接触疲劳试验机为平台研究涂层接触疲劳损伤过程中声发射特征参数幅值、RMS、能量、计数以及平均频率的变化规律,旨在揭示涂层的接触疲劳损伤机理。
1 涂层的制备及实验方法
1.1 涂层的制备
本工作采用HEPJet型高效能超音速等离子喷涂装置制备涂层,该装置利用非转移型等离子弧与高速气流相混合时出现的“扩展弧”来加热并加速喷涂粒子获得超音速等离子束流,充分熔融的粒子快速沉积到基体表面、铺展并迅速凝固形成涂层。实验用基体材料选用调质1045钢,外径、内径及高度分别为60,30,25mm的圆环试样,端面磨光处理。喷涂前先对基体进行丙酮清洗,端面进行棕刚玉喷砂粗化。工作层为Fe基自熔性合金,成分(质量分数,下同)为:Cr=13.6%,B=1.6%,Si=1.1%,C=0.15%,Fe=83.55%。该合金具有良好的去氧、除气和自润湿能力,常温下具有良好的耐磨、耐疲劳性。打底层为AlSiNi合金,成分为:Al=85%,Si=10%,Ni=5%。AlSiNi合金具有良好的放热效应,可以减少基体与工作层热失配造成的残余应力,显著的提高涂层的结合强度。涂层截面的微观结构形貌如图1所示,经过磨削加工后工作层厚度为200～250μm,打底层厚度为50～100μm,涂层比较致密,涂层内部存在少量的孔隙、微裂纹和未熔粒子,这些微缺陷的存在将严重影响涂层的抗接触疲劳性能。
1.2 接触疲劳实验
采用YS-1型球盘式接触疲劳试验机对涂层进行接触疲劳实验,该试验机主要模拟推力轴承的接触副形式来考察涂层等硬质薄膜材料的接触疲劳性能[9]。试验机采用杠杆加载,载荷由载荷传感器在线监测。采用11球轴承(GCr15)作为配对摩擦副,转速受驱动电机控制,由速度传感器实时监测。使用美国物理声学公司(PAC)生产的PCI-2声发射检测系统对涂层接触疲劳损伤过程进行实时监测,为了尽可能获得原始的、低衰减的疲劳损伤声发射信号,声发射传感器直接安装到涂层试样的侧面。声发射传感器频响范围125～750kHz,谐振频率为140kHz,信号采样率为2MSPS,前置放大器放大额度为40dB,经放大器放大的信号经带通滤波(50～500kHz),门槛值设定为40dB。本次实验转速为2500r/min,通过赫兹公式计算本次实验的最大接触应力为1.58GPa。声发射幅值、RMS、能量、计数和平均频率是常用来分析疲劳损伤特征的重要特征参数。幅值是指一次撞击中声发射振幅的最大值,其与损伤程度有直接的关系。RMS是一次撞击中声发射振幅平方的平均值的平方根,其对门槛值、工作频率和传播特性不甚敏感,可以很好地反映涂层的疲劳损伤程度。能量是指一次撞击中声发射幅值对持续时间的积分值,反映的是事件的相对能量或强度,可以有效地分析复杂背景噪声条件下的声发射信号,较好的去除白噪声的干扰,也可用于复杂声发射信号活动性评价。计数是指一次撞击中信号越过门槛值的个数,其对裂纹的扩展比较敏感,可用于波源的类型鉴别。平均频率是一次事件中声发射频率的平均值。
2 实验结果及分析
2.1 疲劳损伤过程中声发射幅值的变化规律
转速为2500r/min,最大接触应力为1.58GPa的实验工况条件下进行10组平行水平实验,其中9个试样发生点蚀失效,1个试样发生剥落失效,所以点蚀是该工况条件下的主要失效模式。
涂层接触疲劳损伤过程中声发射幅值的变化规律如图2所示,可以看出涂层点蚀失效可大致分为涂层表面粗糙微凸体去除、弹塑性变形、裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展五个阶段。实验开始阶段,幅值高达70dB以上,之后急剧降低到58～60dB,持续时间极短,只持续5～10s,如图2中1#箭头所示。这主要是由表面磨削加工造成的粗糙凸起的尖峰在剪切应力的作用下快速去除而引起的。该阶段涂层疲劳损伤形貌如图3所示,可以看出在非滚动接触区存在非常明显的粗糙磨削加工痕迹,而滚动接触区域粗糙的磨削加工痕迹已被去除。之后幅值进入一个比较稳定的阶段即弹塑性变形阶段,如图2中1#,2#箭头之间,幅值维持在55～60dB之间,这是由于滚动接触区域内的涂层材料在循环应力的作用下发生弹塑性变形连续释放能量而产生声发射信号。裂纹萌生阶段即图2中2#,3#箭头之间,幅值呈不连续的急剧突变,突变值高达78dB。这主要是在循环交变应力的作用下微裂纹的萌生和一定程度的扩展释放能量而产生声发射信号,萌生的微裂纹扩展过程中遇到扩展障碍后将处于稳定,但这种稳定只是暂时的,随着损伤的加剧,裂纹尖端的应力集中也越来越严重。裂纹萌生阶段涂层接触疲劳损伤形貌如图4所示,可以看出在滚动接触区域存在较多的环形、Z形、蠕虫状等微观裂纹,这些微裂纹主要分布在涂层粒子界面处和孔隙的尖角处。图2中3#,4#箭头之间时处于裂纹稳定扩展阶段,该阶段幅值继续呈现不连续的突变,突变值高达80dB,这主要是由萌生的微裂纹越过扩展障碍呈稳定且不连续的扩展导致材料产生微断裂而释放较强的声发射信号。微断裂材料边缘同时又伴随有新的裂纹萌生,总之,裂纹稳定扩展引起更多的裂纹萌生促使产生强度较大的声发射信号。裂纹稳定扩展阶段涂层接触疲劳损伤形貌如图5所示,可以看出涂层表面接触区域产生较宽且深的裂纹,这些宽又深的裂纹主要分布于涂层粒子界面处。当处于稳定阶段的裂纹积蓄的能量高于越过扩展障碍所需的能量时,裂纹将继续扩展,裂纹继续扩展时将瞬间释放极高的能量,幅值高达93dB。图2中4#箭头之后是裂纹失稳扩展阶段,声发射幅值连续达到80dB,该阶段裂纹快速扩展、连接、闭合导致涂层材料的最终去除并形成原始点蚀坑,如图6所示。点蚀坑周围的涂层粒子结构变的不稳定而极易剥离,直到在涂层表面形成大量的点蚀坑,如图7(a)所示。点蚀坑深度较浅,只有20～30μm。涂层点蚀失效主要是由于粗糙的涂层表面微凸体与轴承球滚压接触时,微凸体发生强烈的塑性变形,并在滚动接触区域形成黏着磨损而产生较大的剪切应力,微凸体在剪切应力的作用下而被去除,去除的微凸体会充当磨粒,在润滑油的作用下挤入滚动接触区域,这时涂层、磨粒、滚动轴承三者形成三体磨料磨损。图7(b)为涂层点蚀失效高倍放大形貌,可以看出涂层粒子被剥离的痕迹和微裂纹扩展的轨迹,点蚀坑底部极为不平整。
2.2 疲劳损伤过程中声发射RMS和能量的变化规律
涂层接触疲劳损伤过程中声发射RMS和能量的变化规律分别如图8和图9所示。声发射RMS和能量变化趋势相似,实验开始阶段,RMS和能量维持在比较高的水平,RMS值高达0.022V,能量高达2750μV,分别如图8和图9中1#箭头所指。这主要是由于涂层表面粗糙微凸体在剪切应力的作用下快速去除而产生较强的声发射信号。之后RMS和能量都急剧降低,RMS降低到0.016V左右,能量降低到2000μV以下。与幅值变化不同的是,弹塑性变形阶段即图8和图9中1#,2#箭头之间,RMS和能量呈缓慢上升,这主要是由涂层材料弹塑性变形释放能量产生弹性波而引起的,同时这也说明在循环应力作用下涂层材料的弹塑性变形是个累积的过程,RMS和能量上升的速率可以反映弹塑性变形的快慢。裂纹萌生阶段即图8和图9中2#,3#箭头之间,RMS和能量并没有像幅值一样发生急剧的突变,而是变化平稳,但间断发生多次脉冲越阶,这有可能是裂纹的萌生和增殖引起的,同时也说明RMS和能量对裂纹的萌生和增殖都比较敏感。裂纹稳定扩展阶段即图8和图9中2#,3#之箭头间,RMS和能量越阶的次数和额度都明显地增加,RMS越阶额度最高达到0.037V,能量突变值分布在2000～2700μV较大的范围内。这是因为裂纹稳定扩展释放较强的声发射信号引起的,RMS和能量突变额度的大小可以反映裂纹扩展的程度。图8中和图9中4#箭头之后,RMS和能量突然增加到很高的水平,RMS值高达0.056～0.073V,而能量突增至4000～5900μV,分别如图8和图9中3#箭头所指。这主要是因为裂纹失稳扩展和涂层材料的去除引起能量快速释放产生了强烈的声发射信号。
2.3 疲劳损伤过程中声发射计数和平均频率的变化规律
涂层接触疲劳损伤过程中声发射计数和平均频率的变化规律分别如图10和图11所示,可以看出计数和平均频率的变化趋势极为相似。实验开始阶段,声发射计数和平均频率额度比较高,之后快速降低,这与幅值、RMS和能量的变化趋势相似,分别如图10和图11中1#箭头所指。这主要是因为涂层表面微凸体去除产生的声发射信号以连续型为主,信号频率高、衰减慢,越过门槛值的次数相对较多。弹塑性变形阶段即图10和图11中1#,2#箭头之间,计数和平均频率呈缓慢上升,上升的速率同样可以反映弹塑性变形快慢,这与RMS和能量的变化趋势相似,主要是由涂层材料弹塑性变形累积释放强度越来越大的连续型声发射信号造成的。裂纹萌生阶段即图10和图11中2#,3#箭头之间,计数和平均频率总体呈平稳的上升,这主要是裂纹的萌生和增殖引起的。但需要说明的是,期间计数和平均频率发生了突然的降低,如图10和图11中a#箭头所指,这是因为涂层表面不可避免地存在未熔粒子、孔隙等微缺陷,微缺陷处材料结构不稳定,微裂纹易于在这些缺陷处萌生和扩展,致使涂层粒子被剥离,在涂层表面形成点蚀坑,尤其是如果涂层表面存在未熔粒子时,其与周围涂层粒子的结合强度较低,极易在裂纹萌生的初期被剥离。点蚀坑的存在使得轴承球与涂层的实际接触面积减少,造成越过门槛值的声发射信号数量减少,计数和平均频率瞬间降低。裂纹失稳扩展阶段即图10和图11中3#,4#箭头之间,计数和平均频率总体呈锯齿状上升,这主要因为裂纹稳定扩展释放混合型声发射信号引起的。裂纹失稳扩展阶段即图10和图11中4#箭头之后,计数和平均频率呈下降的趋势,这与幅值和RMS完全不同。造成计数和平均频率降低的主要原因是因为滚动区域内裂纹失稳扩展、连接、闭合造成涂层材料的去除,使得轴承球与涂层的接触面积减少,造成越过门槛值的声发射信号数量减少,计数和平均频率降低。还有可能是因为裂纹失稳扩展释放幅值高、频率高、衰减极快的突发型声发射信号,使越过门槛值的声发射数量相对减少而造成的。
3 结论
(1)转速为2500r/min和应力水平为1.58GPa实验条件下,点蚀是涂层的主要失效形式。涂层粗糙的表面微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损,以及涂层、磨粒、滚动轴承三者形成三体磨料磨损是点蚀失效形成的主要原因。
(2)声发射幅值、RMS、能量、计数和平均频率对涂层表面粗糙微凸体材料去除、弹塑性变形、裂纹萌生、裂纹稳定扩展和失稳扩展过程比较敏感,并在不同疲劳损伤的阶段具有不同的信号反馈特点。
(3)疲劳损伤开始阶段,粗糙微凸体材料快速去除使得声发射幅值、RMS、能量、计数和平均频率都维持在比较高的水平;弹塑性变形阶段,幅值比较稳定,RMS、能量、计数和平均频率呈缓慢上升;裂纹萌生阶段,幅值呈不连续的急剧突变,RMS、能量、计数和平均频率总体变化平稳,但间断发生多次脉冲越阶;裂纹稳定扩展阶段,幅值呈不连续的急剧突变,RMS和能量越阶的频率和额度明显的提高,计数和平均频率呈锯齿状上升;裂纹失稳扩展阶段,幅值、RMS和能量连续增加到很高的水平,计数和平均频率呈下降的趋势。
参考文献
[1]徐滨士.再制造工程基础及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005.
[2]王韶云,李国禄,王海斗.微缺陷对热喷涂涂层接触疲劳性能的影响[J].材料工程,2012,(2):72-76.WANG Shao-yun,LI Guo-lu,WANG Hai-dou,et al.Influence ofmicrodefect of rolling contact fatigue performance of thermal spra-ying coating[J].Journal of Materials Engineering,2012,(2):72-76.
[3]ZHU S,XU B S,YAO J K.High quality ceramic coatingssprayed by high efficiency hypersonic plasma spraying gun[J].Material Science Forum,2005,475-479:3981-3984.
[4]朴钟宇,徐滨士,王海斗,等.等离子喷涂铁基涂层的接触疲劳失效机理研究[J].材料工程,2009,(11):69-73.PIAO Zhong-yu,XU Bin-shi,WANG Hai-dou,et al.Investigationof contact fatigue mechanism of plasma spraying Fe-based coat-ing[J].Journal of Materials Engineering,2009,(11):69-73.
[5]TAN C K,MBA D.Identification of the acoustic emission sourceduring a comparative study on diagnosis of a spur gearbox[J].Tribology International,2005,38(5):469-80.
[6]MERIAUX J,BOINET M.Identification of fretting fatigue crackpropagation mechanisms using acoustic emission[J].TribologyInternational,2010,43(11):2166-2174.
[7]MBA D.Development of acoustic emission technology for condi-tion monitoring and diagnosis of rotating machines;bearings,pumps,gearboxes,engines and rotating structures[J].ShockVib Dig,2006,38(1):3-16.
[8]KHAMIS R,BALUSHI A L,ADDALI A.Energy index tech-nique for detection of acoustic emissions associated with incipientbearing failures[J].Applied Acoustics,2010,71(9):812-821.
[9]WARREN A W,GUO Y B.Acoustic emission monitoring forrolling contact fatigue of superfinished ground surfaces[J].In-ternational Journal of Fatigue,2007,29(4):603-614.
[10]PIAO Z Y,XU B S,WANG H D,et al.Investigation of fatigueprediction of Fe-Cr alloy coatings under rolling contact based onacoustic emission technique[J].Applied Surface Science,2011,257(7):2581-2586.
[11]ZHANG Z Q,LI G L,WANG H D,et al.Investigation of roll-ing contact fatigue damage process of the coating by acoustics e-mission and vibration signals[J].Tribology International,2012,47:25-31.
损伤机理 第2篇
利用声发射技术对2.5维浅交弯联机织复合材料在整个拉伸过程的`各种损伤发展、演化进行了试验研究.结果表明:2.5维机织复合材料拉伸损伤演化可分为损伤初始、损伤严重和快速断裂3个阶段.
作 者：董伟锋 朱建勋 张建钟 肖军 作者单位：董伟锋,朱建勋,张建钟(南京玻璃纤维研究设计院)
肖军(南京航空航天大学材料科学与技术学院)
散打运动性损伤机理和恢复研究 第3篇
1研究对象与方法
1 . 1研究对象
本文选取武汉体育学院武术系2012级共230人作为实证分析对象。
1 . 2研究方法
(1)文献资料法:通过搜集和整理国内外有关研究文献,借鉴和学习其有价值的研究方法和思路。
(2)问卷调查法:通过向研究对象发放调查问卷,了解他们在从事武术散打运动过程中遇到的损伤情况,细致了解不同损伤发生的部位和频率等问题。
(3)面对面访谈法:随机抽取部分学生作为访谈对象,通过一对一沟通来了解和搜集有价值的信息和数据。
2调查结果分析
2 . 1武术散打运动损伤分布情况
本文通过发放问卷调查发现,武汉体育学院2012级武术系学生总共发生各种损伤218次,其中110次损伤发生在练习散打过程中, 占比为50.5%。从损伤发生部位分布来看,受伤部位最多的是头部共41次,约占18%;其次是身体组织挫伤共33次,占比为15.1%。关节类损伤主要发生在腕、指和踝处;头部损伤多表现为鼻梁骨断裂、眉角表皮拉开、唇部撕裂等;挫伤主要发生在头部、裆部和大腿处;严重损伤发生频率较低。
2 . 2散打运动损伤出现原因分析
2.2.1学生对运动损伤预防知识不足
有学者研究发现,掌握散打运动损伤知识越多,越有利于帮助运动员降低受伤的概率。从本文调查结果来看,有45%的受访者表示对散打运动损伤常识了解较少,不懂得在运动过程中采取正确的措施保护自己。因此,教师平时要加强这方面的教育,帮助学生掌握更多散打运动损伤知识和防范措施。
2.2.2学生对个人生理和心理情况了解不足
从本文调查结果来看,有56%的受访者表示对个人心理和生理情况了解较少。如果运动员对运动生理学、运动心理学和人体解剖学等知识了解不足,其在运动过程中受伤的概率会显著提高,例如没有掌握正确的赛前心理和生理调整方法,直接投入到激烈的对抗当中,生理和心理机能一时难以适应比赛节奏,十分容易发生各种损伤。
2.2.3学生自我保护意识不强
在一些实在训练或者对抗比赛中,学生缺乏必要的自我保护心理,例如动作幅度过大导致重心失控摔倒,或者用力过猛导致肌肉拉伤等,这些主要与学生自我安全防范意识不强有关,在实际中经常发现这种问题。
2.2.4专项技术训练不足
现实中有些学生对散打基本技能和功夫训练重视不足,导致在实战中动作要领把握不到位,存在诸多缺陷和不足,容易发生危险。例如在做出摆拳耸肩动作时导致肩关节脱臼等。
2.2.5学生武术素养水平不高
有些学生没有形成正确的武术观念,过分追求比赛结果和比分,使得其在比赛过程中容易采取危险或者违规动作来取胜,容易给对方造成重大伤害。
2.2.6比赛硬件设施条件简陋导致损伤
在实际教学活动中,教师和学生对场地条件检查工作重视不足,使得一些场地缺陷或者护具缺失等成为造成损伤的重要原因。本文在调查中发现,有47%的受访者表示平时不太重视这方面的保护工作。
2.2.7训练后放松不到位
散打运动属于激烈性运动项目,运动后期的放松十分重要,直接影响到运动员的身体机能恢复进度。本文在调查中发现,65%的受访者表示训练后不太重视训练后的放松,而这也是导致伤病的主要原因之一。
2 . 3预防武术散打运动损伤的对策和措施
首先,要加强安全防范教育,提高学生的安全防护意识。现实生活中,大多数学生认为散打损伤距离自己很遥远,对其的严重后果认识不足。一旦经历过比较严重的损伤事故后,学生往往会加大对散打运动的恐惧心理,影响教学效果。因此,学校要重视学生心理素质强化训练,帮助他们正确认识到散打损伤,树立正确的散打练习心态。
其次,要帮助学生培养良好的散打运动前期准备习惯。在日常教学活动中,教师要强调运动前期准备工作的重要性,制定一些比较完善的准备活动项目,让学生学会如何做好肌肉拉伸、关节松动以及韧带扩充等工作,同时学会调整比赛心理和生理功能,以良好的精神面貌和精神状态进入比赛和训练状态,最大程度避免损伤发生。
再次,在平时教学过程中,教师要引导学生加强放松练习,规范比赛动作和行为。要帮助学生掌握全套的放松动作和流程,养成良好的运动后放松习惯;要制定科学合理的饮食计划和作息安排, 保证身体机能始终达到最佳状态。同时,要强化学生散打运动纪律观念和武德思想,养成良好的比赛素养和习惯,严格按照比赛规则训练和比赛。
最后,要加强学生基本身体素质锻炼。好功夫不是一日练成的,而是日积月累坚持而成的。优秀的散打成绩必须要以良好的身体素质为基础。因此,平时要重视学生基本功练习,打下过硬的身体条件基础。
2 . 4武术散打运动损伤康复对策
2.4.1武术散打运动损伤后肢体恢复方法
针对不同的武术散打运动损伤情况,要制定不同的康复计划。对于擦碰、挫伤、韧带拉伤、关节扭伤等软组织损伤,要及时开始采取介入治疗措施。最初阶段可以采用重复简单运动的方式做初期恢复运动,例如肩部肌肉拉伤,可以做收缩肱二头肌练习来缓慢恢复肌肉强度。骨折可以在修复一周后开始初步恢复运动,主要以功能性锻炼为主。拆除固定设施后,根据伤势严重程度来确定恢复练习运动量大小。
散打运动损伤后的患部恢复时间从疼痛明显减弱开始,首先尝试肌肉松弛运动,主要以日常生活动作练习为主,对不同部位的肌肉进行有针对性的训练,再根据恢复情况适当增大运动量。练习强度要以练习结束后不加剧患处疼痛为标准。
2.4.2散打运动损伤后心理康复
2.4.2.1树立正确的康复心态
受伤对于运动员来说是一件十分痛苦的事情,它不仅影响了今后的训练,也产生了巨大的生理伤痛。因此,要从心理开导着手, 帮助学生树立积极乐观的心态面对伤痛,教师与医生要加强合作和沟通,为运动员康复提供心理咨询服务,帮助他们正确认识到伤痛实际情况,树立正确的康复心态。
2.4.2.2制定科学合理的康复练习计划和目标
通过树立正确的康复目标,引导运动员开展科学系统的康复活动。在正确目标的带领下,学生的康复期可以有效缩短,康复效果显著提升。教师和医生要在全面分析运动员伤病基础上,制定一套科学合理的康复练习计划和方案,结合康复情况及时调整康复内容和计划,在征得医生同意基础上,确定合理的练习量,保证运动从身、心两个方面同时康复。例如腿部受伤,可以加强腰部和上肢力量练习,同时辅以韧带拉伸运动,以提高身体技能的活性,提高康复速度。对于受伤严重的运动员,要适当增加心理辅导康复, 例如播放轻音乐或者参加心理咨询等活动,让他们树立积极向上的康复心态,为接下来实施康复计划做好充分的心理准备。
2.4.2.3加强伤后初愈练习指导和治疗监督
学生受伤康复之后,心情会比较轻松,同时也希望检验是否恢复到了伤前竞技水平。因此,教师要制定有针对性的训练计划,要遵循循序渐进的训练难度和强度原则,同时做好医疗监督和跟踪工作,全程观察运动强度增加与学生生理变化之间的关系,避免贪图求快恢复最佳状态导致身体承受超负荷工作量。在这个过程中, 教师要加强对学生的心理引导,通过各种暗示活动来提振学生恢复信心。
3结语
本文通过调查分析发现,散打运动主要损伤部位集中在关节部位,例如头部损伤、指关节、踝关节以及肌肉组织挫伤等;散打运动损伤原因主要与运动自我保护能力不强、生理知识掌握较少、对准备活动不重视等有直接关系;散打运动专业性损伤与动作技术不规范、超运动负荷等有关。要有效降低散打运动性损伤概率,主要以预防为主。要在第一时间开展伤病治疗工作;要重视对受伤运动员的心理辅导和治疗。
要通过采取上述措施,不断提高散打运动员防备运动性损伤的能力,在让学生充分学习和练习散打运动的同时,提高身心健康水平,培养一流素质的散打运动人才。
摘要：本文选取武汉体育学院武术系2012级学生作为实证分析对象,分析学生在练习散打过程中出现的各种运动损伤情况,找出散打运动主要致伤原因,并以此为基础提出了恢复措施和方法,以增强散打运动员应对各种运动性损伤的能力。
损伤机理 第4篇
近年来铝合金尤其中空结构铝合金在高速动车制造中的应用愈发广泛,成为替代其它传统工件材料(如钢、铸铁等)的主力军,成为高速动车等高速运输设备实现轻量化、低能耗的有效途径和载体。国内外在车辆制造方面使用铝合金代替钢铁材料的研究,不仅使车体自身重量降低了50%左右,而且使得高速加工技术在高速动车铝型材加工上成功实施和应用,促进了高速加工技术的发展,大大提高了我国高速动车组的加工质量和加工效率,取得了巨大的经济效益和社会效益。
然而,目前在铝合金加工中存在加工用刀具粘附严重、刀具消耗量大、刀具寿命较短等现象,使得刀具加工速度无法提高,制约了铝合金加工效率的提高,铝合金加工成本居高不下,是目前困扰企业生产和提高效率的一大难题。本文对铝合金加工刀具失效形态和失效机理进行了分析研究,从而掌握其高速铣削中空结构铝合金刀具的失效机理和刀具寿命问题,为充分发挥刀具的性能、掌握刀具失效规律提供理论依据和参考。
2 中空结构铝合金高速加工实验研究
2.1 高速铣削实验
本文采用高速铣削中空结构铝合金实验,铣削对象为镁铝合金6N01材料,该材料的物理力学性能如表1所示。
6N01铝合金材料的化学成分见表2。
该合金的截面结构形态如图1(a)所示,铣削实验的加工设备和加工工况如图1(b)所示。
加工实验中采用刀具为直径30mm肯纳涂层整体高速钢立铣刀,齿数为2齿等间距铣刀,刀具前角为11°,后角为10°,螺旋角为30°,加工方式为顺铣,铣削为干铣削,生产现场采用主轴转速为4000~6000r/min,切削速度为1000~1500mm/min,每齿进给量为0.6~1.2mm。观察与分析设备采用Digital Microscope S02型,放大倍数为100~500倍。另外,采用扫描电镜观察摩擦粘附区的刀具磨损形貌及损伤特点。切削热采用Thermovision A20M红外热像仪测量。
2.2 高速铣削粘附磨损分析
利用整体高速钢刀具高速铣削30min后,对刀具铣削区域进行拍照分析,拍照前没有将刀架前端的粘附层材料除去和修整,两刀具磨损区域的粘附形貌特征如图2所示。
从图2(a)中可以看出,刀具的前端被铝合金给包住,容屑槽内已被铝屑填满,整个切削刃不能工作,另外,刀具前端部分也已经被铝屑所覆盖,刀具失去切削能力。在图2(b)中可以看出,铝屑逐渐地包裹住切削刃处,并不断填塞容屑槽,随着切削的进行,塞积的铝屑沿着容屑槽的内壁向上不断挤压、压实,在上部形成一个挤压容屑区,该容屑区逐渐被填满,切削刃失去切削能力。在下一步的切削中,切削刃将被撕裂的铝屑所包围,刀具失去切削能力的开始点从上部开始出现,逐渐积累至刀具底部。
将刀具表面粘附的铝合金切屑除去,露出刀具基底材料,并在此基础上对粘附产生的动力行为进行进一步分析和探讨。图3(a)中为将刀具表层覆盖的铝屑除去、清洗后获得的表面形貌。从图3(a)中可以看出,初始粘附阶段,铝屑在高速挤压和高温作用下,粘焊在刀具的表面上,形成具有一定褶皱的铝屑粘附层,形成高低不等的铝屑槽。
此外,在研究中还发现,当表面的铝屑被除去后,在刀具的切削刃附近还存在较严重的积屑瘤现象(如图4所示),部分积屑瘤在脱落过程中,诱发刀尖处的崩刀尖现象。
2.3 高速铣削崩刃脆断分析
研究发现,与普通切削相比,高速切削时的切削应变率增大,同时,在切削过程中,铣刀与工件、铣刀与切屑之间存在剧烈的摩擦和相对振动位移,另外,剧烈的塑性变形和摩擦将产生大量的切削热,这些热量将使刀具在切削区的温度显著上升(实验测试发现,铣削温度为195℃),造成刀具在切入和切除时温差较大,形成刀具内部热应力场,刀具内部的热应力与刀具受到的机械应力进行耦合强化,使得刀具切削区实际承受的外部作用强度增加。由于粘附层与刀具自身的热膨胀系数等存在差异,以及热量的不及时散出等因素,将导致刀尖和切削刃处粘附区的材料在不断接触和刀具-工件碰撞中产生粘附崩刃(如图5(a))和切削刃的脆断现象(如图5(b))。
此外,通过实验研究发现,在高速切削中,在刀具后刀面上,已加工区与刀具之间存在滑动摩擦,由于在该区,刀具表面受到的正应力小,所以粘附较轻。而在刀具前刀面和切屑之间,存在较强的高温和高压的挤压作用,使得该区的粘附较为明显,粘附层的增加导致铣削中刀具的前角减小,加工中的切削力增大,刀具变形增加,甚至可能导致刀具材料表层出现剥落现象,加速刀具的快速磨损。
另外,由于铝合金的塑性较好,使得刀具前刀面和后刀面上都被一层铝合金切屑覆盖。由于铝合金材料的覆盖作用,使得刀具内部的热量不能及时释放出来,热应力作用导致刀具内部产生热裂纹诱导作用,该作用驱使热裂纹沿着热源的弱化方向移动,逐渐向边缘扩展,使得刀具切削刃处的材料强度出现降低,进而导致刀具切削刃处逐渐出现崩刃和出现断口(如图6(a)所示)。另外,刀具在高速铣削过程中,由于工件材料为中空结构,导致刀具不同部位受力和受热情况不均匀,再加上铣削过程中刀具切入和切出时受到交变力和热的作用,使得刀具内外存在较大的温差和应力差,致使刀具出现严重的疲劳磨损,使刀具切削刃附近产生热裂纹(如图6(b)所示)。
3 结论
通过对中空结构铝合金高速铣削实验研究,发现刀具的损伤机理主要是由以下几个因素引起的:(1)刀具粘附磨损是造成刀具失效的最主要因素,在加工中尤其是小进给状态加工中尤其明显,因此,对于铝合金高速铣削加工,合理设计切削参数组合,采用大进给切削,对铝合金铣削加工的平稳性和控制刀具的粘附行为具有重要意义。(2)加工中的高温作用是导致刀具出现快速粘附损伤的动力来源,在干式加工或准干式加工状态下尽最大可能实现绿色高速加工,采用合适的冷却液或雾化液是解决该类问题的突破口,采用最小量雾化润滑(MQL)可有效防止该类问题的发生。(3)由于工件的弱刚性导致加工中出现的振动是诱发刀具崩刃和脆断的一个重要原因,在高转速情况下,刀具极易发生加工变形和切削振动,限制了加工效率的提高。
摘要：针对动车铝合金车厢加工中存在刀具消耗量大、刀具粘附现象严重等问题,文中就目前铝合金加工用刀具的失效形态、刀具失效机理进行了研究,并找出刀具失效过快的解决方案。
关键词：铝合金,高速加工,加工工艺
参考文献
[1]孙立,路波.6000系铝合金腔体铣削加工工艺的优化[J].机械与电子,2011(9):85-86.
[2]刘东,陈五一.7075铝合金高速加工铣削力的试验研究[J].航空制造技术,2007(6):83-85.
[3]陈俊龙,李贤义.铝合金车削工艺的研究及应用[J].工具技术,2010(12):67-69.
[4]宫庭,黄树涛.面向高速切削的端铣刀研究及应用现状[J].工具技术,2009(3):7-10.
损伤机理 第5篇
从混凝土结构出现裂损的原因来看, 除了物理、力学方面的作用 (如荷载作用、温度作用、碰撞作用) 引起的混凝土裂损外, 还有钢筋腐蚀胀裂、混凝土碱骨料反应裂缝、混凝土碳化收缩裂缝等化学反应裂缝引起的裂损。[1]最近二十年内对混凝土结构的实际调查发现, 混凝土结构因化学裂损而引起的损坏或失效更加严重, 应该引起关注。
建筑结构中使用的混凝土、钢材、砖石等, 在试用期间常常受到腐蚀性介质的腐蚀。如果建筑物在建造时对结构材料未采取防腐措施, 或虽采取了防腐措施, 但工程质量不佳、维护使用不当, 使防腐措施失效, 则腐蚀性介质就可能损坏建筑结构, 甚至使其破坏, 失去使用价值。
在工业建构筑物中, 在海岸工程中, 在盐渍土与矿化水地区的建构筑物中, 建筑结构直接与气态、液态等外部腐蚀性介质接触, 或者被产品和生产中排放的腐蚀性物质所污染, 造成建筑结构的损伤或破坏。[2]
在冶金、化工、造纸、食品及其他工业部门中, 有20%~70%的建筑物常常受到各种腐蚀性介质的作用, 引起结构材料的腐蚀。据一些国外专家的估计, 由于混凝土和钢筋混凝土的腐蚀造成的经济损失约占国民收入的1.25%。这些经济损失中包括了修复或重建建筑物的工程造价及修复或重建期间生产所造成的经济损失。
鉴于混凝土及钢筋混凝土建筑结构的广泛性及重要性, 本文将着重讨论这类结构。腐蚀性介质对建筑结构的损伤实质上就是对构成结构的材料的损伤, 所以我们集中讨论腐蚀性介质对水泥石及钢筋的腐蚀问题。
1 腐蚀分类及材料损伤机理
世界上有许多建筑构物已存在了几百年依然健在, 而许多建筑物却仅仅使用几年后就遭到破坏, 这样的事例不胜枚举。例如:
某一人造纤维厂的钢筋混凝土结构的酸泵房, 在使用四年后就遭破坏[3];
某一大型石油化工联合企业, 其用于安装设备的露天框架结构, 投入使用几年就遭到破坏;
某海上建造的钢筋混凝土护堤, 在使用4~5年后, 因遭受海水作用而损坏;
一些桥墩混凝土因遭受含1.8~2.3g/L硫酸盐离子和0.3~0.5g/L镁离子的水浸蚀, 很快就破坏;
在一座横跨盐渍土地带的桥梁附近, 因盐水周而复始地浸蚀铁路路堤护坡混凝土护板, 干、湿循环, 结果使盐类在混凝土孔隙内结晶, 造成护板的破坏;
兰州某化肥厂硝酸铵 (氮肥) 造粒塔周围的基座顶层混凝土, 因硝酸铵颗粒吸收空气中水分潮解, 渗入混凝土孔隙中, 干燥后又结晶, 将混凝土胀坏;
某一输水管道铺设在由矿化水所饱和的土壤中, 矿化水中含有硫酸根离子5~10g/L, 氧化物2~6g/L, 镁0.2~0.4g/L。输水管由混凝土制成, 因矿化水渗入管子的混凝土, 使用不久, 管子即遭受严重破坏;
某出租汽车停车场, 在使用10~12年时, 因受到氯化物的腐蚀, 其肋型楼板中的φ20钢筋的点腐蚀深度达2.4mm, 其极限强度比未受腐蚀部分的平均值低14.8%。
由此可见, 环境介质与建构筑物材料之间的关系十分复杂。为研究方便起见, 作者在前苏联学者B.M.莫斯科文将混凝土及钢筋的腐蚀分为三种基本类型的基础上, 略作修改, 补充细分为六种基本类型。
第一类:流动有压软水溶出性侵蚀。
水泥在水化过程中产生大量Ca (OH) 2。密实性较差、渗透性较大的混凝土, 在一定压力的流动软水作用下, Ca (OH) 2会不断溶出并流失。这一方面使水泥石变得孔隙增多, 变得酥松;另一方面使水泥石的碱度降低。而水泥水化物如水化硅酸钙、水化铝酸钙等只有在一定的碱度环境中才能稳定存在。所以, Ca (OH) 2的不断溶出又导致其他水化物的分解熔融, 最终使水泥石被破坏。
随着Ca (OH) 2的不断流失, 混凝土的抗压强度不断下降。当以Ca O计的Ca (OH) 2溶出量为25%时, 抗压强度将下降35.8%, 溶出量更大, 抗拉强度下降更大, 最大达66.4%。
雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水都属于软水。在流动及压力水作用下的软水才会引起水溶性侵蚀, 这种腐蚀在多种建构筑物中都能看到。
在水与混凝土中水泥石接触后的干燥部位, 如水渗透进混凝土或沿混凝土表面流动后并随之干燥, 溶解在水中的Ca (OH) 2与空气中的CO2作用碳化后生成Ca CO3沉积下来, 在混凝土表面生成白色沉淀物, 引起腐蚀, 这种现象是颇为常见的。
美国有一座堤坝建于1900年, 被水强烈渗透。1939年修复该堤时, 发现混凝土外部厚12~75mm的外壳尚好, 内部混凝土却已受到严重破坏, 破坏层厚度达1.5m。看起来, 水泥石几乎已全部被水淘空。因为施工时模板附近的混凝土捣得比较密实, 而且表层混凝土受到碳化作用, 减小了Ca (OH) 2的溶蚀, 所以保存了较好的一层外壳。内部却遭到破坏, 这种隐蔽的破坏尤应注意。
如果由于温度变化造成裂缝或施工缝开裂、接缝质量低劣、沉降缝和温度缝有缺陷等原因造成了水在缝中的渗流, 就容易产生水溶性侵蚀。
第二类:溶解性化学腐蚀。
溶解性化学腐蚀是指水泥石组成成分和酸或碱溶液发生化学反应引起的腐蚀。此种化学反应所生成的反应产物或是由于扩散原因易于溶解, 或是被渗流水从水泥石结构中冲刷出, 或是以非结晶体形式聚集, 这种非结晶体无胶黏性, 不会影响腐蚀破坏过程的进一步发展。换句话说, 溶解于水中的酸类或盐类与水泥石中的Ca (OH) 2起置换反应[4], 生成易溶盐或无胶结性能的物质, 使水泥石结构被破坏, 混凝土结构也就毁了。
最常见的这类腐蚀性酸性介质是碳酸、盐酸、硫酸、硝酸等无机酸及醋酸、甲酸、乳酸等有机酸。当环境水的p H值小于6.5时就会对混凝土造成酸腐蚀。最常见的碱性腐蚀介质是镁盐、苛性碱等。当碱的水溶液浓度大于15%, 温度高于50℃时, 熔融状的碱会对混凝土造成碱腐蚀。要注意的是, 苛性碱Na OH、KOH与水泥石中的组成成分发生化学反应后, 在一种条件下可生成胶黏性差、易于溶解的产物, 发生溶解性化学腐蚀;在另一种条件下, 则可产生结晶性的膨胀破坏, 属下面要讲的第三类腐蚀。
兰州化学工业公司所属的兰州化肥厂及兰州橡胶厂是苏联援建的两个项目, 于1955年开工, 分别于1958年及1960年先后建成投产。投产后没几年, 对各有侵蚀性介质的工业建筑物进行了调查, 发现建筑物的围护结构如墙壁、屋盖等遭受腐蚀的程度一般都较严重。这是因为围护结构处于许多不利因素作用下的缘故。建筑物内生产装置的腐蚀物质可以不同的状态排出:气态、液态、雾状、固体粉尘。液态的腐蚀性物就有工厂所泼洒出的酸、碱、盐溶液及含酸、碱、盐的污水, 它们落在建筑结构上后, 对不同材料就会造成不同程度的腐蚀。
例如, 兰州化肥厂的稀硝酸车间, 在投产两年后, 于1960年接受检查, 车间的钢筋混凝土屋面板已经遭受腐蚀。生产装置排出的氧化氮气体与车间空气中的水分结合后, 由于车间温度低及屋面的隔热性能差, 在屋面板内表面形成氧化氮气体的冷凝液腐蚀了混凝土。
第三类:膨胀性化学腐蚀。
当水泥石与含硫酸或硫酸盐的水接触时, 可以产生体积增大许多倍的结晶体, 将混凝土胀坏, 产生膨胀性化学腐蚀;水泥的水化物遇到氢氧化钠溶液浸透又在空气中干燥时, 氢氧化钠被空气中的CO2碳化, 生成具有膨胀性的碳酸钠结晶, 可胀裂水泥石。[5]
第二类及第三类腐蚀有代表性的化学反应式, 在作为大学本科土木建筑工程必修课的“建筑材料”或“工程材料”教材中都有较详细的表达, 这里不再赘述。
在第一类和第二类腐蚀中, 水泥石的破坏与水泥石的组成成分和水泥石组成成分与腐蚀性介质的反应产物的溶解性有关。而第三类腐蚀的初始阶段, 由于结晶盐在混凝土孔隙中逐渐积聚而使混凝土更加密实。如果这个过程发展缓慢, 则混凝土的空隙及孔洞会慢慢地被生成的结晶物所填充, 似乎混凝土变得更密实, 会让人产生一种错觉:混凝土的强度还会提高, 更能使人迷惑。所以, 第三类腐蚀的初始形式有时很难察觉, 只有当持续发展下去, 最后使混凝土开裂、破坏, 人们才易发现。
在实际工程中, 常常是第二种或第三种腐蚀情况会同时出现, 但各种形式的破坏程度和性状并不相同。重要的是弄清哪一种类型的腐蚀起主导作用。
第四类:盐类潮解、渗透、干燥、结晶——膨胀的物理破坏作用。有些盐类如硝酸铵、氯化钠 (食盐) 等, 很容易吸收空气中的水分或周围的水分而溶解, 溶解后渗入混凝土、砖等材料的孔隙中, 干燥后盐会再结晶, 膨胀压力可把材料胀裂, 使材料酥松。
第五类:钢材的电化学腐蚀。
钢筋混凝土中的钢筋及钢结构的钢构件的化学腐蚀, 是由于金属表面形成了原电池而产生的腐蚀。两种不同的金属置于电解质溶液中, 由于电极电位不同, 电子从易于失去电子的低电位金属流向难于失去电子的高电位金属, 这样产生电流的装置叫做原电池。钢材属铁碳合金, 其中还含有很多其他杂质元素, 就合金而言, 包括铁素体、渗碳体、珠光体等, 这些不同的元素或组织的电极电位不同, 电位低的失去电子, 电位高的得到电子, 此种化学反应的进行, 就使金属产生腐蚀。阴极或负电位值小的部分得到保护, 阳极或负电位值大的部分受到腐蚀。[6]
当钢材处于潮湿空气中时, 钢材表面会吸附一层薄水膜。当水中溶有SO3、CO2、灰尘等时, 即成为电解质溶液, 这样就在钢材表面形成无数微小原电池。如铁素体和渗碳体在电解质溶液中变成原电池的两极, 铁素体活泼, 易于失去电子, 成为阳极;渗碳体成为阴极。在阳极区, 铁被氧化成铁离子进入水膜。因为水中溶有来自空气中的氧, 故在阴极区氧被还原成为OH-离子。两者结合, 形成不溶于水的Fe (OH) 2, 并进一步氧化成疏松易剥落的红棕色铁锈Fe (OH) 3。
电化学腐蚀是最重要的钢材腐蚀形式。钢材表面污染、粗糙、凹凸不平、应力分布不均, 元素或金属组织之间的电极电位差别较大, 以及温度和湿度变化均会加速电化学腐蚀。
第六类:钢材的化学腐蚀。
钢材的化学腐蚀是由于大气中的氧或工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的。化学腐蚀多发生在干燥空气中, 可直接形成锈蚀产物, 如疏松的氧化铁等, 并无电流产生。氧化铁的体积大于母金属, 所以, 当钢筋混凝土构件中的钢筋生锈后, 体积增大很多, 在混凝土中产生内应力。此内应力大到可将钢筋混凝土顶裂, 然后, 钢筋与混凝土分离, 钢筋与混凝土之间黏结破坏[7], 对钢筋混凝土来说, 这是致命的破坏。
钢筋混凝土构件因钢筋锈蚀而开裂, 破坏的四个阶段, 如图一所示。
钢筋混凝土中的钢筋由于受到水泥水化后所产生Ca (OH) 2碱性薄膜的保护及保护层的保护, 理应不受到化学腐蚀。但是由于混凝土碳化深入钢筋表面, 由于混凝土质量低劣, 由于环境恶劣或由于构件受力裂缝达到钢筋表面[8], 钢筋受腐蚀在许多情况下仍是不可避免的。
实验表明, 应力钢筋在电化学反应方面比无应力钢筋更活跃, 所以腐蚀也就更强烈。
摘要：本文对建筑结构腐蚀破坏进行了分类, 探讨了材料的损伤机理, 特别对钢材的腐蚀机理进行了分析。
关键词：结构腐蚀,破损,机理
参考文献
[1]李昌木, 孙淑林.联碱生产中厂房建筑的腐蚀与防护[J].纯碱工业, 1983.
[2]郭院成.化工环境下的结构腐蚀控制策略初探[J]河南科学, 1999 (, 03) .
[3]郭志恭.环境介质对建筑结构的作用及其评价[J].兰化科技, 1990.
[4]陈峰.化工行业建筑结构的腐蚀与防护[J].河南化工, 2000.
[5]刘继成.长期利用钢筋混凝土结构自身保护方法的探讨[J].中州建筑, 1994.
[6]蔡毅.钢结构腐蚀损伤检测方法研究综述[J].河南水利与南水北调, 2010 (, 09) .
[7]贾勇.钢结构腐蚀机理及影响因素初探[J].科技之友, 2009 (, 05) .
损伤机理 第6篇
1 实验
1.1 实验材料
从沈阳机床厂提供的全新普通灰铸铁车床导轨上直接切取所用材料,并去掉导轨表面硬化层,取其基体的灰铸铁部分,其化学成分(质量分数/%)为:3.1~3.3C,1.5~1.6 Si,0.9~1.0 Mn,≤0.06 P,≤0.07S,≤0.5Cu,余量为Fe。为了放大非光滑表面对对磨副的损伤作用,采用显微硬度大于原灰铸铁基体、但小于经激光处理后的非光滑单元体的20CrMnTi材料为对磨副材料。
1.2 非光滑表面的设计与制备
为排除非光滑单元体占表面积比对结果的影响,在尺寸约为45mm×6mm的试样端面上,利用激光加工出形态分别为点状、条状、环状以及网状的等面积比非光滑试样,图1是4种非光滑表面试样的示意图。
激光处理的各项参数:锯齿形波,离焦量为-5mm,电流为140A,脉宽为11.0ms,扫描速率为0.4mm/s,频率为0.6Hz。
1.3 显微硬度及磨损实验
利用MH-60显微硬度计对试样进行显微硬度测量,测量对象包括非光滑试样基体、点状单元体、条状单元体及网状单元体。显微硬度的测量在单元体的横截面上进行,其中测试点沿表面轮廓下方约0.05mm等距轨迹,相邻的测试点之间的间隔约为0.1mm,测量载荷为0.2kg,保载时间为10s。采用MMU-5G磨损试验机上进行磨损实验,摩擦副接触形式为Ф18mm×Ф38mm的环状面接触。磨损实验参数:室温,无润滑,外加载荷60N,转速200r/min,进行50min。测量质量前后均用软毛刷轻刷对磨过程中产生的磨屑,然后利用超声波清洗试样20min,风干。利用精度为0.1mg的FA2004电子天平称量并计算摩损前后的质量损失,每组试样测量3次后取平均值为其质量值。采用EVO 18型扫描电子显微镜(SEM)观察试样磨损后的表面形貌。
2 实验结果及分析
2.1 非光滑单元体结构及其与对磨副的显微硬度
图2是非光滑单元体横截面金相显微照片。图2(a),(b)分别取自点状单元体和线状单元体。可以看出,非光滑单元体除了均由强化区、热影响区和基体三部分组成之外,强化区最高点以不同幅度值高出灰铸铁试样的基体部分,且最高点约位于熔池的中心线位置,将沿激光处理方向(即垂直于横截面方向)上的所有最高点连接,则可知沿着激光处理方向存在一条由最高点组成的脊线。在整个摩擦过程中此脊线起着对对磨副微观切削的作用。强化区内部均有形态、大小不同的封闭型缺陷存在,如强化区内的黑色区域,此缺陷在摩擦过程中则扮演着容纳摩擦屑的角色。
(a)点状单元体;(b)线状单元体(a)punctiform unit;(b)stria unit
图3为试样基体、对磨副以及4种形态下的非光滑单元体的显微硬度分布曲线,横坐标为测点到单元体边界的距离。试样基体显微硬度HV为184~212,对磨副略高,为240~300,可见对磨副的显微硬度以较小幅度值稳定高于非光滑试样基体。而4种形态下的非光滑单元体的显微硬度则显著高于试样的基体及对磨副,为大于400。在4种非光滑单元体中,点状单元体的显微硬度以较大幅度值稳定高于其他形式的单元体,这是因为点状单元体在激光处理的过程中,其周围全部被基体材料所包围,在自冷的过程中受到更强烈的冷却作用所致[4];而其他形式的单元体由于激光的频率和扫描速率配比的变化,在扫描的过程中,新的激光点对先前的冷却点具有回火作用,而后者又因为未完全冷却而减缓了新的激光点的冷却速率,因此致使其他形态的单元体显微硬度略低于点状单元体。而由于线状、环状、网状单元体的形成采用的是同一组激光参数,同时它们之间的单元体距离相差不大,故而其硬度值表现为在几乎相同的限值内起伏波动。
2.2 对磨副的磨损结果与分析
图4为不同形态仿生非光滑表面的对磨副的磨损量。可以看出,在相同的实验时间和实验载荷下,与4种形态的非光滑表面对磨的对磨副,其质量损失均明显大于与未处理试样对磨的对磨副(与未处理试样对磨的对磨副其磨损量非常小,仅有不到2mg的损失量,故在图4中得不到显示);尽管4种形态的非光滑单元体占试样表面的面积比相同,但当对磨副与不同形态的非光滑试样对磨时,其磨损量仍然不同。在这些与非光滑表面对磨的对磨副中,与条状对磨的对磨副质量损失最大,与环状、点状和网状对磨的对磨副其质量损失依次减小。与网状单元体对磨的对磨副,其质量损失最小,仅为与条状对磨副磨损的55.66%。与环状和点状对磨的对磨副的磨损量也大约只占与条状对磨的对磨副的85%和80%,也就是说在相同的面积比和几乎相同的显微硬度条件下,网状的非光滑单元对对磨副的损伤最小,条状试样对对磨副的损伤最大,并且均远超于与未处理试样对磨的对磨副质量损失。这是因为,试样表面一旦被处理为含单元体的非光滑表面,试样与对磨副接触时,仅单元体顶部区域为接触区,相较于未处理前,摩擦副间接触面积将明显减少,进而在压力相同的情况下,单元体和对磨副间的接触应力骤增,而单元体的显微硬度又显著大于对磨副(图3),因此,当对磨副间有相对滑动时,就使得单元体对对磨副形成了切削[14,15]。
图5为条状单元体的对磨副表面磨损后的SEM照片。由于单元体和对磨副的硬度值相差较大,同时其磨粒顶部呈圆钝状,因此可以看到对磨副表面有明显的塑性变形,且划痕长宽比较小,划痕底部较为平整,而两侧呈光滑曲线,断裂处呈撕裂状,是微观切削后塑变断裂。而未经激光处理的试样,用肉眼即可清楚看到磨损表面出现了环状的红棕色和黑色覆盖层,这是由于材料表面裸露出的具有自由键的原子被迅速氧化所致[2,16],此外,在未处理试样表面还存在少许鳞片状凹坑及划痕等黏着磨损。上述分析说明,从未处理试样与对磨副形成的摩擦副到非光滑表面试样与对磨副形成的摩擦副,其磨损机理已由轻微的黏着磨损过渡到非光滑试样对对磨副的微观切削机理。对比条状和点状非光滑表面,其对对磨副造成磨损质量差的原因在于,点状单元体相当于将连续的条状单元体的一部分激光处理点去掉,同时通过增加点状放射线的条数来保证两者的单元体面积比相同(本实验中的线状放射线的条数为48条,而点状放射线的条数为60条)。这样相当于等面积比的条件下,点状比条状单元体具有更均匀的分散度,当等大的面积以更加分散的点状形式均布于表面时,对磨副和非光滑表面的有效接触面积得到了增大,进而单元体的压力减小,磨粒所造成的磨损减轻。同时,点状单元体在径向上的不连续,对于减小对磨副的磨损同样具有积极作用。这是因为点状非光滑单元体在试样表面分布的不连续性,使得单元体嵌入基体部分与固定该部分单元体的基体间形成了更大的接触面积,而基体由于其较软具有更大的变形能力,因此当对磨副与镶于基体之上的点状单元体对磨时,增大了的连接面积使得点状试样能够吸收更多的形变能量[4],从而赋予基体上的硬质单元体更大的变形能力,进而减少单元体刺入对磨副的深度,相当于减小了微观切削的切深,从而减轻了点状单元体对对磨副的犁削作用。而对比点状和环状试样,两者在维持非光滑表面等面积比方面的原理类似于条状和点状。与点状试样对磨的对磨副比与环状对磨的对磨副磨损量少,但减少的幅度却不如与条状对磨的对磨副,究其原因,除了上述因素之外,与环状试样对磨的对磨副相比于条状而言,其还有自身独特的减轻对对磨副损伤作用的机制,其原理图如图6所示。摩擦开始时的对磨副接触形式为对磨副平面与非光滑表面的凸起相接触(图6(a));随着摩擦的进行,环状对磨副的表面会被较硬的非光滑表面“选择性”的微切削出对应的环状凸起,如图6(b)所示;当未磨损到的凸起在这种“选择性”的微切削作用下“生长”到足够的高度,以至于触及非光滑试样基体时(图6(c)),随着磨损的进一步进行,对磨副的凸起与试样的基体以及非光滑表面和对磨副的凹陷将共同分担外加载荷的压力,进而非光滑表面和对磨副的凹陷部分之间的作用力减小,相应的其微切削切深也逐渐减小,而对磨副的凸起和非光滑试样基体之间逐渐增大的压力,使得对磨副和试样的基体间形成了新的摩擦副,这样环状单元体的摩擦由原先的仅非光滑表面和对磨副这一对摩擦副转为了对磨副和非光滑试样基体同时进行摩擦的两对摩擦副的摩擦状态;图6(d)为非光滑试样基体被对磨副磨损后的表面形貌照片,虚线的左侧是未受磨损的基体形貌,可以看出,虚线右侧和单元体之间的基体部分遭到了“生长”到足够高的对磨副凸起的磨损,与环状对磨的对磨副凸起的“存在”由此可见。但仅对于对磨副而言,其磨损由于和非光滑表面的接触压力的减小而减弱,因此点状对磨副相对于环状对磨副而言,环状试样与对磨副形成的摩擦副其自身的磨损机制使得其磨损的程度弱于与条状试样对磨的对磨副。而无论是单独的条状单元体,还是环状单元体,其对对磨副的损伤作用都大于两者的结合形式———网状单元体。这是因为,相比于环状非光滑单元,网状单元体多出的放射性线状能够通过显著增加有效接触面积来均化外加载荷,如图7(a)所示,环状单元体的脊线总是处在同一半径上(图7(a)的淡绿色部分),这样使得分布载荷大部分由其承担,而且由于单元体的高度不一,一个环形脊线上通常只有为数很少的较高单元体承载,而网状的单元体相比于环状而言,其多出的条状单元体(如图7(a)中条状磨损所示)则相当于解除了仅环状单元体时在半径方向承载结构受到的限制,扩大了径向上的承载区域,其对应的表面磨损形貌如图7(d)所示,1,2处是单元体顶部被磨平后的形貌,其位于环状单元体的半径之外,可知在磨损过程中,条状单元体的出现使得在承受外部载荷时摆脱了环状单元体这一固定的径向尺寸的限制,通过将一部分的环状单元体面积改形为条状单元体形态,可以降低对对磨副的磨损作用(图7(d),(e)中的位置3及其他凹坑或塌陷处均为单元体受到磨损后的损伤形态)。而相比于条状单元体,网状中的环状单元体又充当着“支撑桥”作用。在载荷的作用下条状对磨副发生轻微的弹性下凸变形,如图7(b)中的红色区域所示,非光滑表面首先在力的作用下刺入基体[4],随着相对运动的进行,刺入基体的深度相应增加,相当于切深在不断变化,进而单元体对对磨副犁削的犁削作用增大,致使磨损速率加快,而在网状的非光滑表面中,横亘在条状单元体之间的环状单元体(如图7(c)中的蓝色部分所示)对于这种弹性变形恰好具有支撑作用,以桥状的形式连接两个条状单元体之间的空白部分,使得其间的弹性变形减小甚至消失,当然这种支撑作用减小的程度取决于环状单元体与条状单元体的高度比,环状单元高度低于条状单元的程度越大,则环状单元所起到的支撑功能就越小,当环状单元体的高度低于对磨副的最大变形量时,其减弱作用随之消失,在环状单元体的高度和微变形具有重叠的区域内,其能够使非光滑表面对对磨副的刺入深度减小,进而减弱其对对磨副的犁削作用。图7(e)为非光滑表面中的环状高于条状时,环状“支撑桥”代替条状单元体与对磨副进行的摩擦,可见环状单元体的1,2位置处受到磨损,而条状单元体因受到环状单元体“支撑桥”的保护作用而未被磨损。网状单元体中的环状虽然减轻了对磨副的下凸程度,但其自身同样会对对磨副形成磨损;但增大的接触面积以及减小的条状切深,使得其对减小损伤的积极作用远大于其参与磨损后带来的损伤作用,因此对对磨副的磨损得以弱化。所以,由于网状单元体结合了条状和环状的优点,其对对磨副的损伤作用不论相比于条状还是环状,都得到了减轻,条状和网状对磨副的质量损失分别约为网状对磨副的1.8倍和1.5倍。由此可知,以磨损质量为衡量标准,在非光滑试样的面积比、显微硬度相同的情况下,对磨副的损伤程度主要由单元体的形态决定,条状单元体对对磨副构成的损伤最大,环状和点状次之,分别约占条状的85%和80%,网状对对磨副的损伤最小,约为条状的55.66%。这主要是由于非光滑表面在磨损过程中引起的载荷分配机制不同造成的,并且通过调整单元体的形态,则可以在不改变单元体面积比的条件下,有效地减轻非光滑试样对对磨副的损伤作用。
(a)磨损初期;(b)磨损中期;(c)磨损末期;(d)磨损形貌(a)early stage of wear;(b)middle stage of wear;(c)terminal stage of wear;(d)SEM micrograph of the worn surface
(a)网状单元体磨损;(b)无环状单元体磨损;(c)环状单元体磨损;(d)条状单元体作用机理;(e)环状单元体作用机理(a)wear of grid unit;(b)wear without cyclic unit;(c)wear with cyclic unit;(d)mechanism of the stria unit;(e)mechanism of the cyclic unit
3 结论
(1)未处理试样与对磨副的磨损机制为轻微的黏着磨损,非光滑试样与对磨副的磨损机制为微观切削作用。
(2)非光滑试样对对磨副损伤均远大于未处理试样(即光滑试样)的对磨副,且非光滑表面的形态不同,对对磨副的损伤也不同。条状单元体对对磨副的损伤性最大,环状、点状次之,网状最小,约为条状的55.66%。
损伤机理 第7篇
关键词：依达拉奉,脑损伤,脑功能,保护机理
当今人类死亡率最高、致残率最高、恢复最困难的脑卒中也是我国老年人中最常见和多发的疾病。根据世界卫生组织的资料显示, 在57个有数据的国家中[1], 将脑卒中列为死亡率排名第三的有40个国家, 而中国和日本已列为首位[2]。所以, 降低死亡率和致残率是当前医学亟待攻克的主要难点和重点。成功开发出治疗脑卒中的药物将对社会带来极大的价值, 为家庭卸下极大的重担。依达拉奉是亲脂性的基团, 能够起到清除自由基的作用, 能够清除患者体内的活性氧分子, 在这个基础上, 保护血管内皮细胞, 防止神经细胞发生死亡或者重度损伤[3]。目前, 依达拉奉对临床治疗脑梗死有较好的疗效[4]。
1 材料与方法
1.1 实验动物
本实验选择40只雄性小鼠, 体重20~40 g。
1.2 实验方法
(1) 取体重20~40 g小鼠常规饲养5周, 选择体重在35~60 g小鼠编入实验组和对照组各20只。 (2) 将小鼠固定在解剖板上, 剥离小鼠两侧颈动脉, 使用颈动脉丝线结扎法控制小鼠脑供氧。使其两侧颈动脉直径均在1 mm以下, 脑血压下降70%以上。 (3) 使用动物用压力呼吸机维护小鼠生命体征1 h以上。 (4) 恢复小鼠脑部供血, 缝合皮肤, 继续饲养3周, 观察小鼠体征变化。 (5) 在生命体征维持阶段, 实验组小鼠给予依达拉奉药物治疗, 对照组给予等量的生理盐水, 在相同条件下培养, 测量两组小鼠SOD、MAD等指标含量。 (6) 处死所有小鼠, 取血, 取全脑, 完成试验标本制作。
1.2.1 术前准备
(1) 对试验小鼠进行充分麻醉, 麻醉用药为乌拉坦, 浓度控制在1 g/kg。 (2) 小鼠接入动物用呼吸机, 建立机械通气通道。 (3) 连接动物用四肢皮下心电图。 (4) 找到股静脉, 使用生理盐水微量泵建立静脉通道。
1.2.2 实验过程
(1) 剥离小鼠两侧颈动脉, 使用颈动脉丝线结扎法控制小鼠脑供氧。使其两侧颈动脉直径均在1 mm以下, 脑血压下降70%以上。 (2) 实验组在静脉通道内输入依达拉奉3 mg/kg。对照组继续使用生理盐水维护静脉通道。 (3) 1 h后, 解除对小鼠颈动脉的结扎, 缝合皮肤伤口。
1.2.3 组织取材
(1) 完成试验后4周, 观察小鼠的心率指标, 观察小鼠的伤口愈合情况。 (2) 小鼠活体状态下各取下腔静脉血20 m L。 (3) 小鼠取全脑, 沿纵隔劈开, 左脑用于标本制作, 右脑用于化学比色法检测SOD、MDA以及S-100蛋白的含量。 (4) 半脑在福尔马林岑克尔溶液中浸泡24 h, 用酒精脱水, 加入二甲苯浸泡至透明, 均匀淋入石蜡包裹, 使用苏木素染色液染色。最终形成半脑标本。 (5) 利用化学比色法检测MDA、SOD的浓度, 利用酶联免疫吸附法测定S-100蛋白含量。
1.3 疗效判定
有效:小鼠SOD、MAD与S-100蛋白含量下降幅度不明显;无效:小鼠SOD、MAD及S-100蛋白含量等指标下降幅度较为明显。
1.4 统计学处理
采用软件SPSS 10.0对数据进行统计分析, 计量资料以 (±s) 表示, 采用t检验, 计数资料采用χ2检验, P≤0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 两组小鼠心肺复苏的有效率比较
实验组有效率70% (14/20) , 对照组有效率20% (4/20) , 两组比较差异有统计学意义 (字2=4.89, P<0.05) 。
2.2 两组治疗前后SOD的含量比较
治疗前两组小鼠体内的SOD含量差异无统计学意义 (P>0.05) , 进行药物辅助治疗后, 实验组小鼠的SOD含量明显高于对照组, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表1。
U/m L
2.3 两组治疗前后MDA的含量变化
两组治疗前MDA的含量比较差异无统计学意义 (P>0.05) , 治疗后实验组MDA的含量降低, 对照组MDA的含量增加, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表2。
μmol/g
2.4 两组治疗前后S-100蛋白的含量变化
两组治疗前S-100蛋白的含量比较差异无统计学意义 (P>0.05) , 治疗后实验组S-100蛋白的含量增加, 对照组S-100蛋白的含量降低, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表3。
μg/L
3 讨论
相关研究发现, 早期自由基的清除和晚期的抗炎症机制是依达拉奉得以发挥脑功能保护和神经保护功能的主要途径。依达拉奉可消除自由基, 在抑制脂质过氧化功能上具有显著作用, 可彻底修复脑缺血及脑缺血引起的脑水肿、组织受损[5,6]。在临床治疗中, 对脑卒中治疗一般是在发病数小时后[7]。考察小鼠生命周期与人体生命周期的投射作用, 本文研究小鼠缺血型脑卒中模型1 h时抢救过程, 等效于人类缺血性脑卒中2~4 h抢救过程[8]。本研究从实际出发, 添加依达拉奉药效实验观察依达拉奉在缺血2 h后对脑缺血的保护作用[9]。
本研究纳入40只小鼠, 分为两组, 试验的结果表明:治疗前, 两组小鼠体内SOD含量分别为 (34.24±3.44) U/m L、 (34.68±3.40) U/m L, 治疗后分别为 (36.99±3.60) U/m L、 (31.56±3.69) U/m L, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。治疗前, 两组小鼠体内的MDA含量无明显差异, 治疗后, 实验组小鼠的MDA含量为 (6.15±3.01) μmol/g, 明显低于对照组的 (10.12±1.21) μmol/g, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。而在S-100蛋白含量上, 治疗后两组差异具有统计学意义 (P<0.05) 。这就表明依达拉奉的临床效果显著[10]。
实验主要采用小鼠证实了在脑卒中、急性脑缺血发生后几小时内使用依达拉奉进行治疗, 明显缓解脑缺血程度, 降低脑梗死体积, 充分抑制脑水肿和并发症的出现[11,12]。
损伤机理 第8篇
目前隧道复合式衬砌中,防水层(高分子防水板、喷膜防水层等)处于喷混凝土初衬与二衬之间,为密闭夹层防水。根据西南交通大学喷膜防水课题组2006年承担国家自然科学基金项目所做的工程调研中的数据表明,大多数渗漏水的隧道基本在隧道防水施工结束1年左右发现渗漏(由于发现渗漏和发生渗漏的时间并不一致且难以界定,只能定性探讨),而大多数隧道渗漏随时间延长有加剧趋势。在防水施工完成至1年之间渗漏的隧道,其防水失效与防水材料的耐候、老化性能没有正相关性。分析结果表明,隧道防水材料失效性除了传统因素外,还受到冻融循环、力学环境作用,水性材料还受到干湿循环的作用[1]。目前冻融和干湿性能很容易通过实验室条件进行检测,而力学环境作用难以准确模拟。
施工过程中二衬混凝土浇筑、围岩后期变形、地下水压力是力学环境形成的主要因素,而围岩变形所引发各种力的作用程度、喷射混凝土初支防水层施工基面的平整度和表面粗糙度等,综合形成了复杂力学环境,这些都是造成防水材料失效的重要影响因素[1]。当防水材料受到复杂力学环境和地下水压共同作用时,如果处在有害介质水环境中,则加剧这几种作用的效应。因此,在实验室中模拟力学环境作用、水压作用并将力学环境作用与腐蚀性介质作用结合起来进行模拟试验研究,对探索复杂环境下防水材料失效机理及确定其耐久性相关指标有着重要理论与工程意义。
本文选择防水板(PVC、EVA、三元乙丙橡胶等)、丙烯酸盐防水膜等防水材料为试验对象,对防水材料服役环境进行深入分析研究,以便为设计通用的对防水材料在复合衬砌隧道夹层中力学环境作用下的破坏形态、失效机理和复杂作用效能进行测试模拟的试验装置提供依据。
1 试验装置设计影响因素分析
1.1 防水材料受力状态分析
在复合式衬砌隧道中,防水材料夹在喷混凝土初衬和二次衬砌之间,由于2层衬砌与防水层接触表面的平整度和粗糙度有很大差别,喷射混凝土表面相对粗糙,二次衬砌与防水材料的接触面相对光滑,造成喷射混凝土对二次衬砌局部压力不均匀,介于2个结构层之间的防水层受力也不均匀[2]。这种“不均匀”本文称为复杂受力状态。通过分析比较,导致防水材料损伤失效的受力状态可以表现为以下5个方面。
1.1.1 受压状态
当围岩变形带动喷射混凝土发生压缩变形时,与二衬之间距离进一步缩小,对防水层造成挤压。在基面平整,且变形方向与防水层平面垂直时,防水材料仅受到压力作用(见图1)。而在相对凸出部位,则受到局部挤压,如图2中箭头1所指处。
1.1.2 受拉状态
当喷射混凝土基面呈凹凸不平状态时,防水材料不能与基面密贴,在二衬浇筑混凝土时,较大的超挖和喷混凝土凹坑部位防水材料呈受拉状态。图2中箭头2所指处。
1.1.3 同时受拉和受压状态
当凹坑直径较大时,防水材料先受拉变形,抵达基面后又受到局部挤压作用,形成既受拉又受压状态。图2中箭头3所指处。
1.1.4 平行方向剪切-挤压状态
在围岩变形或地震力作用下,由于防水材料层的隔离作用,2层衬砌接触面变形方向可能不一致,形成对防水材料的挤压和平行错动的剪切状态,见图3。
图3中箭头1所指处由于平行错动,防水材料呈挤压-剪切状态;箭头2、3所指处呈局部挤压-剪切状态;箭头4所指处呈挤压状态;对于防水板材料,箭头1、2、3所指处还将受到摩擦作用。
1.1.5 基面尖点作用状态
喷射混凝土作为防水层施工基面,存在诸多尖点(见图4)。箭头1所示石子尖角,箭头3所示砂浆形成的尖角,箭头2所示钢筋或锚杆截断留下的毛槎等,在上述各种力环境作用下,会对防水材料产生刺入或划割作用。
当结构出现贯穿裂缝时,防水材料还将受到剪切作用,前期试验研究表明,柔性材料剪切变形时,实际是在裂缝附近的一段受到拉伸[3],当结构裂缝足够大使防水材料剪切破坏时,结构失效成为主要问题。因此,本文探讨正常服役下的防水材料失效性时,不考虑剪切受力状态。
由上述分析可知,防水材料受到力学环境作用主要表现为5种状态:挤压、拉伸、拉伸-挤压、剪切-挤压、点挤压。其中剪切-挤压状态是由喷射混凝土(初支)与二衬接触面平行错动引起,由于喷射混凝土表面基本不存在光滑平整的平面,以凹凸面咬合作用为主导,咬合面防水材料还是呈局部受压状态或者拉伸-挤压状态;而点挤压中的“尖点”可能存在于前述各种受力状态的基面。因此,挤压、拉伸、拉伸-挤压3种受力状态可以描述夹层中防水材料复杂力学环境作用特征。
1.2 基面特征的影响分析
在各种力学环境作用下,喷射混凝土表面平整度和粗糙程度对防水材料损坏的程度有很大影响。对现场资料分析,喷射混凝土表面状态可以分为以下几种状况。
1.2.1 大面积平整规则,局部粗糙
喷射混凝土表面形貌如图5所示,总体平整规则,局部表面凹凸不平,粗糙度较大,呈现直径和高度在5 cm以下的椎体群。在较大的围岩变形或者地震力作用下,夹层防水材料受到不均匀挤压,平行交错变形使防水材料受到凸出部位的划伤。
1.2.2 表面有突出物
喷射混凝土表面较为平整,但有明显突出物,如钢筋、锚杆截断头等,见图6。
1.2.3 大面积不平整,局部凹凸明显
由于超欠挖等原因,使喷混凝土表面呈不规则的凹凸变化,形成凹坑或沟槽,见图7。在这样的基面上进行防水施工,如果防水板类防水材料铺挂后不能与基面密贴,在浇筑二次衬砌时,混凝土压力使防水板受拉,当凹坑较浅时,防水板受拉变形后与凹坑底部或突出点接触,又会受到局部压力,致使防水层处在复杂受力状态(如图2所示);当喷射混凝土初支结构与二衬平行交错位移时,产生如图3所示对防水材料的局部挤压和拉-压作用。
1.2.4 尖点
在上述任何状况都有尖锐凸出的“尖点”存在,在挤压和拉伸-挤压状态下,对防水材料会产生刺、顶、划、割等作用(如图4所示)。当喷射混凝土基面具有很小的凹凸不平或水泥砂浆、石子等形成的尖点存在时,会形成点挤压,导致防水材料破损或刺穿。
1.3 水压的影响分析
防水材料处在上述复杂受力环境状态中,会受到不同程度的物理损伤,此时,防水层的作用是否失效,不仅取决于受力损伤程度,还取决于地下水压的大小。可以推测:材料损伤程度较低,水压力大,可能防水失效;而损伤程度较大,但水压力小,也可能防水并没有失效。而确定不同防水材料在不同受力状态下与水压作用的关系,是控制防水材料失效性的重要影响因素。
针对不同受力状态、防水基面条件、防水材料和施工方法,水压破坏效应是不一样的。因此,在设计的模拟受力状态试验装置中,施加水压时必须使加压持续时间、加压大小可调。
1.4 力环境作用对不同防水材料的效应
1.4.1 防水板类
防水板类卷材施工中难以与基面密贴,当浇筑二衬混凝土时,基面不平、超挖等情况,形成较大面积的凹坑,使防水板除受压外还会受到拉伸和拉压作用,如防水板变形没能与基面密贴,则产生拉伸力,如拉伸变形后与凹坑基面密贴,则在拉伸基础上还要受到局部挤压,围岩变形亦会增加这种作用(如图1、图2所示),结构接触面平行错动导致图3所示的局部挤压或拉伸-挤压。
1.4.2 喷膜防水材料
喷膜防水层能够做到与基面密贴,基本不会出现拉应力,在“尖点”部位,喷膜防水层起到包覆作用,浇筑混凝土二衬时的“刺入”破坏较轻;结构接触面平行错动也会导致图3所示的局部挤压,但不会出现拉伸-挤压,水平错动咬合面积大于防水板,局部挤压相对均匀。
1.5 综合作用影响分析
在软弱破碎、地应力大和地下水丰富的地层中修建的隧道,二衬施工后还可能会有围岩变形产生,这就使其服役期间的防水材料处于复杂环境作用之下。这种复杂影响包括复杂受力环境、水压力环境和喷射混凝土基面的状况,这种复合作用的不利影响,使防水材料在施工过程中和使用初期产生损伤,随着时间的推移损伤加剧,导致防水失效,这就是出现早期不同程度渗漏的原因之一。
综上所述,考虑3种受力情况,设置不同基面粗糙度、施加不同水压,即可完成对复杂环境的模拟。
2 模拟试验装置要求及工作原理
2.1 试验装置的要求
根据上述分析,试验装置要求如下:
(1)能够模拟不同水压和基面条件;
(2)能够设置防水材料分级拉伸、挤压和拉伸-挤压共同作用的力学环境;
(3)能够在复合环境下进行适用于各种平面防水材料如防水板、防水膜等的长期试验,并在试验中可实时采集水压、各种外力值、渗水量等数据。
2.2 试验装置的工作原理
2.2.1 受力环境与加载
通过加力装置将防水材料加载到设定受力状态后,用专用夹具固定在装置中的两块混凝土垫块之间,上部垫块代表初支结构,下部垫块为二衬结构,与防水材料接触面按设定的基面条件制作,在上部垫块顶部加设定厚度垫片,通过紧固装置上下槽体对防水材料进行加压,实现压缩、拉伸和拉伸-压缩加载。
2.2.2 水压
采用高压泵将有色液体按设定压力输入密封的装置内,使液体达到防水材料上表面,并保持设定压力一定时间,实现外力与水压共同作用。
2.2.3 数据采集量测
(1)可通过传感器和压力表测试防水材料所加压力和内部水压。
(2)具有透水性的混凝土垫块与装置周边用密封胶密封,保证透过防水材料的液体仅能够通过混凝土垫块渗透,下部槽体底部开洞,并设漏液报警器,槽下设集水盘,以测试渗漏时间和渗水量,以便比较各种防水材料的抗渗漏能力。
3 试验装置参数设定
3.1 力学环境参数
3.1.1 挤压状态加载参数
挤压状态是夹层防水材料主要受力状态,挤压受力变形时,喷射混凝土基面条件对防水材料破损影响明显,如“尖点”、局部挤压易使防水层被刺破损坏。抗压能力是防水材料的重要指标。但防水卷材、喷膜防水材料等均属于柔性防水材料,抗压强度难以界定,而各种材料拉伸强度差异很大,抗压强度差别也必然很大,以压力值划分加载等级缺乏可比性。根据对丙烯酸盐防水膜试验结果[3,4],考虑防水材料受挤压是由结构变形引起,以压缩率作为挤压加载的分级指标较为恰当。通过变形控制压力容易操作,可对不同材料抗压效能进行比较。
挤压加载分级指标分别取20%~60%(压缩梯度10%)、80%(凹凸)、100%(尖点)。
如复合防水板或喷膜加无纺布隔离层时,挤压加载分级可根据试验结果做调整。
3.1.2 拉伸状态加载参数
取材料伸长率作为加载分级指标,参考丙烯酸盐防水膜试验结果[3],分别取10%~60%(拉伸梯度10%)、80%、100%。
3.1.3 拉伸-挤压复合状态加载参数
拉伸加载分级指标同拉伸参数,分别取10%~60%(拉伸梯度10%)、80%、100%,每级分别对应的挤压加载分级指标取20%~60%(压缩梯度10%)。这里压缩比率应按对应分级拉伸加载时的防水材料厚度计算。
3.2 初支喷射混凝土基面条件设定
根据喷射混凝土基面对防水材料影响因素,初支喷射混凝土基面条件可分3种形式:
(1)平整型
平整型垫块基面采取刮平处理。
(2)局部凹凸不平型
凹凸不平型垫块基面设不规则圆台凸起,以形成局部挤压效果。
(3)“尖点”型
“尖点”型垫块基面在平整性基础上增加与防水层厚度相等的小圆锥(尖点),以实现点挤压的刺入效果。
垫块混凝土标号为C30,要求具有透水性,后2种垫块按照标准模具制作。
3.3 水压加压等级及加压时间参数
参考抗渗等级技术标准,水压分级指标可分为0~0.6 MPa(水压梯度为0.1 MPa)、0.8~1.2 MPa(水压梯度为0.2 MPa);加载时间按相关规范和试验要求确定,快速加载每增加1个梯度持续0.5 h,持续加载每增加1个梯度持续8.0 h。
4 试验装置设计思路
4.1 总设计思路
从设计要求和技术参数看,其中技术关键是3种力作用状态的实现,考虑试验的目的和试验的方便性,1台装置只需模拟1种力环境,水压、基面条件等功能同时实现。
从实际工程应用出发,由3套装置分别模拟3种力环境,即受压实验装置、拉伸实验装置和拉伸-挤压实验装置,相关试验内容满足工程需要。
4.2 设计方案
实验装置主要由3部分构成:(1)作用力装置设计;(2)水压系统设计;(3)数据采集系统设计。
图8为拉伸-挤压试验装置样机,其中拉伸加载通过专用加力架在一般加载设备上完成,后由专用拉伸夹具将达到拉伸级别的防水材料试件固定在试验装置上。压力加载通过装置密封紧固完成。
根据以上思路研制的挤压、拉伸、剪切受力模拟装置获得了国家发明专利,并进行了基于丙烯酸盐喷膜防水材料的相关试验,同时研制了拉伸-挤压试验装置,并对试验装置的合理性、可操作性、检测数据的稳定性、可靠性进行了反复试验验证,各种指标达到预期要求,为后续进一步试验奠定了基础。
利用本装置可进行后续研究如下:
(1)不同防水材料在衬砌压力和水压力作用下防水效能的受损规律研究;
(2)不同粗糙度的基面状况对防水材料防水性能的影响规律研究;
(3)试验装置可将加压液体替换为有害介质水与复杂力学环境共同作用,研究模拟真实环境的有害介质水的腐蚀效应;
(4)在大量试验研究的基础上提出一套对各种防水材料的标准测试方法,为保证防水材料在工程应用中避免因力学环境作用而出现早期失效,提高材料耐久性标准。
5 结语
根据复合衬砌夹层防水材料可能承受的各种外力形式,结合工程实际中应用的防水材料,针对性地进行了各种力环境中防水材料损伤失效机理的研究,综合考虑水压、基面条件等因素,提出力环境模拟试验装置的工作原理和技术参数,为自行设计模拟对平面防水材料在力学环境、水压综合作用下量测并分析其失效效能的试验装置提供依据。
参考文献
[1]杨其新,刘东民,盛草樱,等.隧道及地下工程防水失效性分析[J].中国建筑防水,2008(4):22-26.
[2]吕康成,崔凌秋.隧道防排水工程指南[M].北京:人民交通出版社,2004.
[3]杨其新,常炳阳,刘东民.隧道力环境下防水膜防水性能损伤的试验研究[J].建筑材料学报,2010(4):487-491.