AISI4340钢的绝热剪切与动态失效准则

绝热剪切是材料在高应变率加载下的一种典型破坏模式,绝热剪切带的激发和演化过程依赖一定的应变率应变等力学条件。通过对AISI4340钢的绝热剪切细观机理分析,提出了包含应变率效应的动态失效准则。针对ZRR问题分别应用静态和动态失效准则。计算结果表明:静态失效准则下材料的破坏模式以整体塑性变形为主;而动态失效准则下材料发生绝热剪切破坏,且表现出明显的剪切带高度局域化特征。     

7055-T6I4铝合金动态冲击性能及显微组织演变分析

旨在填补7055铝合金宽温度和宽应变率范围动态冲击的显微组织演变机制的不足,基于较宽温度和应变率范围的霍普金森压杆动态冲击试验,对7055铝合金动态力学性能及动态冲击后试样的SEM和TEM显微组织进行研究,分析温度和动态冲击应变率对7055铝合金组织与性能的影响。结果表明:低温环境下,随着应变率不断增大,7055铝合金的金相组织演变过程均存在绝热剪切带,其内部存在汇聚型微裂纹;随着温度升高,7055铝合金的动态冲击变形组织并未呈明显绝热剪切带,多以扭曲形变带形式存在;温度低于220℃,7055铝合金的TEM显微组织主要以不稳定的η′析出相为主,其数量和密度与温度有明显负相关。     

30CrMnSiA绝热剪切带显微观察与分析

采用分离式霍普金森装置对30CrMnSiA的片式帽型试样进行动态剪切,利用光学显微、扫描电镜、透射电镜、显微硬度等金相分析方法对材料绝热剪切带的微观结构演化过程进行分析。研究发现,随着加载应变率的增大,剪切带发生由形变带到转变带的变化趋势,转变带呈"白亮"色,带内由尺寸约为50 nm的低位错、等轴晶粒组成,这是典型的再结晶晶粒特征。转变带形成过程可分为剪切变形、晶粒细化、晶粒断裂旋转、动态再结晶4个阶段。     

TA2钛合金动态压缩试样中的绝热剪切破坏研究

绝热剪切是金属材料高速变形破坏的重要形式之一,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术对TA2钛合金的动态力学性能及绝热剪切破坏特性进行研究,实验得到了TA2钛合金动态应力-应变关系。对试样的绝热剪切带形成及发展进行了微观金相观察,结果显示：TA2钛合金动态压缩试样中产生的绝热剪切带呈对称的双圆锥形特征。进一步利用有限元方法对试样动态压缩及变形局域化过程进行了有限元数值分析,模拟结果与实验吻合较好。数值分析结果表明压缩试样表面摩擦对试样中绝热剪切带的形成与破坏特征有着重要影响。     

内部爆炸载荷作用下钛合金圆管损伤,断裂实验研究

对钛合金圆管进行了内部爆炸加载实验,用高速分幅摄影记录了其动态变形、断裂过程,对回收破片在光学显微下进行了观察,探讨了钛合金管在动载荷作用下的变形、损伤和破坏机理,实验结果表明;钛合金圆管表现为绝热剪切破坏。     

基于等径通道挤压法的超细晶铜动态剪切变形行为实验研究

采用等径通道挤压（ECAP）法制备了超细晶铜,分析其微结构的热稳定性及其对材料动态力学性能的影响。利用Hopkinson压杆及MTS液压伺服实验机对ECAP超细晶铜和原始铜帽型剪切试样进行应变控制加载,结合图像数字相关法及“冻结”回收试样的微观和X射线衍射分析,对其动态剪切变形行为及微观组织演化开展研究。结果表明：ECAP后的超细晶铜在准静态剪切下具有应变硬化特征,但在高应变率下剪切应力-剪切应变曲线呈软化特征;高加载率下产生动态再结晶的绝热剪切带是导致应变硬化率为负的原因;按塑性功计算的超细晶铜再结晶温度仅为325 K,因此超细晶铜在高应变率下易发生绝热剪切失稳变形现象。     

Zr_(38)Ti_(17)Cu_(10.5)Co_(12)Be_(22.5)大块非晶合金动态剪切行为研究

利用分离式Hopkinson压杆实验装置(SHPB)研究Zr_(38)Ti_(17)Cu_(10.5)Co_(12)Be_(22.5)大块非晶合金的室温动态压缩断裂行为,应变率控制在～102s-1。该大块非晶在动态压缩条件下表现出完全弹性变形,在断裂之前没有明显的塑性变形。试样沿与加载方向成～42°的方向剪切断裂,剪切面非常粗糙。利用扫描电子显微镜(SEM)研究剪切带的形核和扩展。高倍下在剪切面上观察到明显的微剪切带和微裂纹,表明在动态加载条件下,剪切带形核之后立即促发形成微剪切带或者微裂纹。此外,在剪切面观察到的熔融带表明在动态断裂过程中,绝热也起到了很重要的作用。     

金属材料动态剪切测试方法

材料的动态剪切性能参数是进行弹箭及装甲防护系统设计的重要基础。由于目前所采用的拉伸剪切试样在应力均匀性及受力状态方面仍存在问题，给测试结果的准确性带来影响。采用数值模拟对5种常见拉伸剪切试样进行了对比分析，并针对现有问题设计出一种新型拉伸剪切试样。该试样在准静态、动态加载下应力分布均匀而且接近纯剪切的应力状态，适合在大应变率、大应变范围内对材料的剪切力学性能进行准确测试。通过与压缩加载下双剪切试样的测试结果进行对比，发现两种试样获得的应力-应变曲线吻合较好，而且新型试样具有更长的塑性流动段。采用有限元软件对TC4钛合金试样的变形及断裂过程进行了模拟，并通过与高速摄影结果进行对比发现两者剪切区的变形及裂纹扩展情况相互吻合，从而验证了试样设计及数值模拟结果的有效性。     

爆炸冲击作用下金属圆柱壳体膨胀破碎过程研究

为了研究爆轰冲击作用下金属圆柱壳体动态膨胀及变形断裂过程,以40Cr Mn Si B钢壳体材料为研究对象,在理论分析的基础上建立了炸药与壳体相互作用过程分析模型,获得了爆轰作用过程中金属壳体外表面径向位移以及速度变化规律;应用超高速摄影技术获得了壳体在高应变率下动态变形过程。结果表明:膨胀半径达到初始外半径的1.47~1.70倍时,壳体内部裂纹贯穿整个壁厚并发生断裂;壳体膨胀速度在距起爆端60%~70%壳体轴向长度处达到最大,此处膨胀速度比起爆端附近提高了18.3%。     

应变和应变率对绝热剪切敏感性的影响

利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB),对不同形状的铝合金、铜合金、45钢、82钢和钛合金进行动态冲击试验,通过扫描电镜观察绝热剪切带的微观形貌,从理论和实验中分析应变和应变率对绝热剪切过程的影响。研究表明,只有当材料具有一定大的应变量、足够高的应变率时,才会出现绝热剪切带。     

动态加载条件下冷轧5A06铝合金显微组织研究

以80%冷变形5A06铝合金为试验材料,利用分离式Hopkinson压杆加载装置(SHPB)进行动态冲击压缩试验,探讨高速形变响应规律,分析其动态力学行为;利用透射电子显微镜技术观察位错界面结构的变化,分析位错界面的高速形变响应。结果表明:预变形5A06铝合金在塑性变形前已发生绝热剪切行为,致使合金强度下降;初始位错界面成为高速形变过程中位错滑移的主要障碍;冲击前后,位错界面结构方向由与轧向平行演变为与轧向呈10°~20°夹角,位错界面间距由0.25μm演变为0.10~0.15μm。     

晶粒细化对无氧铜动态力学性能的影响

基于分离式霍普金森压杆及爆轰加载试验技术,对不同晶粒度的无氧铜进行不同应变率加载,用闪光X射线观测技术观测爆轰试验过程中铜管的破裂,获得无氧铜在不同时刻的变形参数,以及铜在动态加载下的应力-应变。结果表明:应变率为(5 000～6 000)s-1,无氧铜具有应变率效应,随应变率的增加,应力/应变等参数均增加;JO-159炸药加载条件下,铜的膨胀均匀性和对称性与晶粒度无关,但破裂方式与晶粒度有关,晶粒度越小,各个裂纹的深度、间距逐渐趋于相同,分布逐渐对称。     

铝合金靶板中绝热剪切现象与抗弹性能的关系

本文用金相试验的方法对抗弹性能不同的铝合金靶板,作了弹坑解剖分析。发现板的抗弹性能与绝热剪切现象有关。并用一维霍布金森杆在应变率为10~2/s下测定两种铝合金的动态应力-应变曲线。把两种合金的动态强度代入绝热剪切的临界应变和临界应变率条件,分析比较了动态力学性能对靶板的绝热剪切性能及抗弹性能的影响。     

挤压态6082铝合金热加工图及显微组织研究

用Gleeble3500热模拟试验机对挤压态6082铝合金进行等温恒应变率压缩试验,变形温度为350～500℃,应变率为0.01～7.5 s-1,获得不同变形条件下的真应力-真应变曲线,建立本构方程和热加工图,并对不同条件下显微组织进行分析.结果表明:挤压态6082铝合金为正应变率敏感材料,该材料热变形软化机制主要为动态回复,热变形失稳主要是析出相聚集导致局部流变失稳,计算得到该合金的热变形激活能为175.17 kJ/mol,安全加工区主要分布在375～500℃,0.001～0.5 s-1,随应变增加安全加工区变化很小.     

磁爆加载薄壁金属管的冲击变形实验研究

利用构建的磁爆加载实验平台,对脉冲磁动力与电爆炸耦合效应作用下薄壁金属管的冲击变形进行了研究,获得了加载过程的强流放电波形,以及不同结构和材料薄壁金属管的冲击变形。结果表明:以脉冲电容器组为能源时,RLC电路过程能较好地反映加载时的强流放电特性;相同结构薄壁金属管的冲击变形主要受加载方式的影响,加载过程产生的焦耳热使材料显著升温,更易于变形,但高温将导致材料气化,无法形成磁聚毁伤元;磁聚毁伤元不宜采用低熔点或低延展性材料,相比铝材,紫铜更优,而截锥管比圆管结构更易于控制形成磁聚毁伤元。     

锆基非晶活性材料动态力学性能及本构关系

为了获得新型锆基非晶活性材料在动态加载条件下的力学性能及本构关系,采用压力渗透铸造法制备得到锆基非晶活性材料样品,借助分离式霍普金森压杆实验测量系统对其进行了不同应变率加载条件下的动态压缩实验,获得了应变率在300～1600 s-1范围内材料的应力-应变曲线,利用高速摄影观察记录了不同应变率条件下试件的破碎以及释能过程.结果表明:锆基非晶活性材料性能表现为脆性材料特征,应力-应变曲线不存在屈服阶段,且当应变率由947 s-1上升至1587 s-1时,材料抗压强度由2.71 GPa上升至2.78 GPa,增幅较小,约为2.6％,而断裂应变由0.032下降至0.028,下降12.5％;材料的破碎程度以及释能反应现象随应变率增加较为明显,当加载应变率较大时,材料破碎过程中存在应变软化现象;根据实验数据,拟合得到了锆基非晶活性材料断裂失效前的一维弹脆性损伤动态本构方程.     

冲击载荷下Al-Mg-Si-Cu铝合金的变形行为及本构模型

使用分离式霍普金森压杆(SHPB)对Al-0.59Mg-0.58Si-0.2Cu(质量分数/%)铝合金进行室温下、应变率为(800～5 200)s-1的高速冲击试验,分析其变形行为,并确定Johnson-Cook本构方程。结果表明:Al-Mg-Si-Cu铝合金在室温高速冲击变形过程中,应力不随应变率增加而增加;当应变率为800、2 500、3 100 s-1,应变为0.08时,随着应变率的增加,织构类型发生改变,平均斯密特因子和应力减小;确定Al-Mg-Si-Cu铝合金的J-C本构方程,本构拟合结果与试验结果吻合。     

不同填塞装药下金属柱壳断裂特性的实验研究

为探讨爆炸载荷特征对金属柱壳断裂过程的影响,设计不同厚度药柱填塞的TA2钛合金柱壳进行爆炸实验。金属柱壳爆炸膨胀碎裂后,对回收碎片进行微观破坏分析。结果显示：实心填塞装药时,TA2柱壳近内壁区域产生45°或135°分布的绝热剪切带,裂纹沿剪切带扩展导致剪切型断裂;1.9 mm厚空心药柱时,柱壳仍呈剪切断裂模式,但裂纹首先在柱壳厚度中部产生并向内外表面发展;随空心药柱厚度减薄至1.2 mm,柱壳厚度中部的损伤带更宽且发生层裂。分析认为,柱壳爆炸膨胀断裂模式及其机制不仅与爆炸压力相关,还与载荷脉宽与柱壳壁厚的比值相关,是一个涉及冲击波沿厚度传播及相互作用多物理破坏机制竞争的过程。     

高应变率下导弹战斗部装药动态力学响应 及细观损伤模式

应用改进的SHPB实验技术实现了常应变率加载,激光测量系统监测实验试件轴向工程应变,高速相机拍摄试件变形过程,确保实验数据的可靠性,进而对导弹战斗部装药在高应变率下的动态力学响应及损伤形式进行实验研究,并结合扫描电子显微镜探索其细观损伤模式与高应变率加载条件的内在关联。结果表明,该导弹战斗部装药具有明显的应变率效应,当其应变值超越0.05时应变率效应显著增强,随着加载应变率的提高,其应力应变曲线应变硬化效应显著增强,由上凸形式变为线性硬化;在860～1 380 s~(-1)加载应变率下,其主要细观损伤形式为颗粒表面与粘结剂剪切脱粘,当加载应变率在1 380～2 300 s~(-1)区间时,充足的冲击波能量迫使晶体颗粒表面产生损伤裂纹,并沿应力集中薄弱路径不断扩展,传播路径错综复杂,进而产生晶体颗粒破碎现象。     

以RDX为基的浇注PBX力学性能与本构模型

为研究一种黑索今(RDX)基浇注高聚物粘结炸药(PBX)的力学性能与本构模型,利用INSTRON材料试验机及改进分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行了准静态和动态单轴压缩实验,获得了材料在10-4~10-2s-1及843~1490 s-1应变率范围内的应力-应变曲线。结果表明:该浇注PBX的变形过程分为线性段、强化段和软化段。准静态加载下该浇注PBX具有明显的应变率效应,其弹性模量、压缩强度、临界应变与相对对数应变率之间近似呈线性关系;而在实验应变率范围内,动态加载下特别是加载初期应变率效应不明显,同时发现其破坏准则由应力控制,材料在12MPa附近发生破坏。借鉴推进剂及橡胶材料本构关系的研究结果,分别提出了能描述浇注PBX一维动、静态压缩力学行为的率相关本构模型,该模型与实验结果误差小于10%吻合较好。