延性金属层裂强度对温度、晶粒尺寸和加载应变率的依赖特性及其物理建模

层裂强度表征了材料内部最大动态抗拉能力,并与材料本身的力学性质以及损伤早期演化相关.建立层裂强度计算的解析表达式,深入认识层裂强度所包含的微细观物理涵义,有利于更好地优化延性金属材料的层裂强度.目前大量的实验表明:延性金属材料的层裂强度对加载拉伸应变率、温度效应以及材料初始微细观结构具有很强的依赖关系.本文基于对孔洞成核与增长的损伤早期演化特性的分析,以及对温度效应和晶粒尺寸与材料本身力学性质之间关系的分析,给出了简单、实用的层裂强度的解析物理模型,物理模型的计算结果与典型延性金属高纯铝、铜和钽的层裂强度实验结果基本符合,从而验证了我们给出的层裂强度模型具有较好的适用性和预测性.     

晶粒尺度对延性金属材料层裂损伤的影响

微细观结构对材料动态损伤、破坏的影响是目前国内外力学领域的研究热点之一. 基于相关文献的实验结果, 通过理论分析, 给出了一个新的反映晶粒尺度效应的孔洞成核模型, 并将其耦合到延性金属材料层裂损伤模型中. 采用数值方法分析了晶粒尺度对高纯铜材料层裂损伤演化过程的影响. 计算结果显示: 随着材料平均晶粒尺度的增加, 自由面速度回跳点降低, 回跳后速度曲线的斜率增加; 损伤材料内部的孔洞数减少、平均孔洞尺寸增大.计算结果与相关文献所报道的实验 分析结果定性上符合较好. 该结果对于层裂损伤的深入研究具有一定的启发性. 关键词： 层裂 晶粒尺度 延性金属材料 冲击     

基于单孔洞近似的高纯铝部分层裂实验的数值模拟研究

基于单孔洞近似,对不同撞击速度下高纯铝的部分层裂实验进行了数值模拟研究,讨论了微孔洞长大对波传播的影响及其在自由面速度波剖面上的表现. 通过分析微孔洞周围的应力场变化,认识到实测自由面速度波剖面出现"回跳"特征并不能说明材料发生完全层裂,其直接原因是样品内部微孔洞长大所引起的局部卸载效应. 将计算得到的自由面速度波剖面和微孔洞相对体积与实验结果进行了对比分析,发现两者均符合很好,表明采用单孔洞增长来近似描述部分层裂样品中随机损伤发展及其对波传播的影响是可行的. 关键词： 层裂 孔洞增长 自由面速度波剖面 微孔洞相对体积     

铝锂合金材料损伤演化方程和层裂准则的研究

 通过平板撞击实验对铝锂合金层裂现象进行实验研究。以细观统计和唯象分析相结合的思想,提出了一种新的微孔洞型损伤演化方程,方程同时计及了孔洞长大、成核以及材料可压缩性的耦合效应对损伤演化的影响。在一维应变波模拟程序中嵌入考虑损伤演化影响的铝锂合金本构方程和状态方程,模拟平板撞击过程靶板自由面质点速度时程曲线,并与实验曲线相对比,得到了铝锂合金材料损伤演化方程及其层裂准则的相关参数。     

孔洞增长与汇合的数值模拟

在研究延性材料的层裂过程中，微孔洞的成核、增长与汇合是主要问题。在二维平面条件下，应用二维拉氏有限元弹塑性流体力学程序(LTZ-2D)，在动态拉伸作用下，对多种形状的孔洞增长、相互作用和汇合进行了数值模拟。结果表明，初始非圆形孔洞在动态拉伸作用下，经过了一定时间后，孔洞的增长均趋近于圆形。如果在孔洞周围允许材料损伤断裂的话，当孔洞继续长大到一定程度时，将产生破裂并且汇合。以铜材料为例，     

强激光加载铝材料动态损伤特性及其微介观结构观测

在神光-Ⅱ装置上利用强激光加载铝材料进行高应变率(高于106s-1)层裂实验,研究不同初始温度下高纯铝材料的动态损伤特性。采用任意反射面速度干涉仪测量样品自由面速度剖面,由自由面速度剖面计算纯铝样品层裂强度与屈服应力。结果表明:随着温度升高,材料层裂强度减小,屈服应力增大。对激光加载前后样品进行金相分析,观察不同初始温度下纯铝材料的微介观结构变化及其损伤特性。结果表明:随着温度升高,样品晶粒尺度缓慢增大,但在873K(近熔点)时晶粒尺度急剧增加;层裂面附近小孔洞数目较多,孔洞尺寸也较大,而远离层裂面处,孔洞数目相对较少,且尺寸也较小;材料的断裂方式随温度升高由沿晶断裂为主逐渐变为穿晶断裂为主。     

高加载率条件下LY12铝合金损伤断裂现象的研究

 本文以球形实体中含有一球形空穴为基本单元，通过分析单元的受力状态，推导出了一个韧性介质空穴增长模型。模型中考虑了介质的硬化，应变率效应，同时还考虑了惯性效应。在考虑空穴成核效应时，采用了热激活成核机制。对LY12铝合金进行了二维层裂实验，采用本文提出的动态损伤模型，借助于二维Lagrange弹塑性流动有限差分程序对二维层裂实验进行了数值模拟，计算结果与实验吻合较好。     

非一维应变冲击加载下高纯铜初始层裂行为

提出了一种锥形靶层裂实验新方法,开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究,讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系.结果显示:1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区,损伤区扩展方向与锥面平行,从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态,从微孔洞独立长大到局部聚集,最后形成宏观裂纹,这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化;2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析,揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的,而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征;3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号,但是通过与内部损伤分布特征对比,揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力,Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率,Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.     

层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究

层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷,广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中,对材料的力学性能有显著的影响.目前,关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究.本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为,对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析.研究发现,层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌,并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷.在中低速度加载下,层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展,为孔洞提供了更宽的形核区域,促进了孔洞的异质成核,造成材料层裂强度大幅度减小.当冲击速度较高时,层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.     

一种新型微孔洞损伤模型

 在前人的基础上引入单位体积微损伤个数概念，从而将宏观损伤参量与微观孔洞体积结合起来，并且在孔洞长大扩展时计入惯性效应的影响，得到了一个新的二次型微孔洞损伤演化方程，指出表面扩张效应和惯性效应分别在孔洞长大的不同阶段起主导作用，最后以921钢板撞击实验为参考，通过比较自由面速度时程曲线，得出的结果与实验相符，验证了本模型的正确性。     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed with the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of the plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, the elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed by using the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

单晶铜在动态加载下空洞增长的分子动力学研究

冲击载荷下延性材料的损伤是材料中微空洞的产生和长大演化的结果.利用分子动力学模拟 方法对延性金属单晶铜中单个空洞在动态加载下的演化发展进行了研究，得到了空洞增长过 程中的应力分布及空洞增长演化随冲击强度变化的规律.模拟结果表明，动态加载下的前期 压缩过程对后期拉伸应力场作用下的空洞增长演化特征有不可忽视的影响，微空洞增长的阈 值则与单晶实验中层裂强度随拉伸应力作用时间减少而增加的趋势相一致. 关键词： 层裂 分子动力学 动态加载 空洞     

一个新的损伤演化方程及其在层裂中的应用

 采用统计细观损伤力学方法,基于延性金属断裂过程的孔洞演化机理,提出一个新的损伤演化方程,该方程在一定的条件下与由空心球体胞模型导出的损伤方程形式相同。在此基础上,将新的损伤演化方程编入一维Lagrange有限差分动力学程序,对OFHC铜的平板对称正碰撞层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合得较好。     

Numerical analysis of the effect of bubble distribution on multiple-bubble behavior

Understanding multiple-bubble behavior in a megasonic field is essential for efficient megasonic nanodevice cleaning without pattern damage. In this study, we numerically studied the effects of equilibrium radius and initial void fraction on multiple-bubble behavior and induced pressure. We analyzed the nonspherical collapse, coalescence, and breakup of bubbles in a megasonic field using a compressible, locally homogeneous model of a gas-liquid two-phase medium. Bubbles were simulated with a uniform equilibrium radius or with a bubble size distribution. Our results indicate that the bubble behavior and induced pressure depended mainly on the initial void fraction. For the case of bubbles with uniform equilibrium radius, small bubbles generated high wall pressure at large initial void fractions. When there was a size distribution, bubbles with small equilibrium radii contributed little to the wall pressure because of the damping effect of the oscillation of larger bubbles. Furthermore, the addition of a large bubble suppressed the resonant behavior of the bubbles that induced high wall pressure.     

The characteristics of void distribution in spalled high purity copper cylinder under sweeping detonation

The effects of different peak compression stresses (2–5 GPa) on the spallation behaviour of high purity copper cylinder during sweeping detonation were examined by Electron Backscatter Diffraction Microscopy, Doppler Pins System and Optical Microscopy techniques. The velocity history of inner surface and the characteristics of void distributions in spalled copper cylinder were investigated. The results indicated that the spall strength of copper in these experiments was less than that revealed in previous reports concerning plate impact loading. The geometry of cylindrical copper and the obliquity of incident shock during sweeping detonation may be the main reasons. Different loading stresses seemed to be responsible for the characteristics of the resultant damage fields, and the maximum damage degree increased with increasing shock stress. Spall planes in different cross-sections of sample loaded with the same shock stress of 3.29 GPa were found, and the distance from the initiation end has little effect on the maximum damage degree (the maximum damage range from 12 to 14%), which means that the spallation behaviour was stable along the direction parallel to the detonation propagation direction under the same shock stress.