不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程

金属柱壳破坏过程与材料、结构及载荷等相关,断裂结果呈现多种形式,采用有限元结合实验对不同爆炸载荷作用下,TA2钛合金圆管的破坏机制开展研究。有限元结果显示:对于理想均质柱壳,由于冲击波传播使壁厚中间形成二次塑性区,圆管壁厚中部的等效塑性应变总是大于内、外壁。在较高爆压下,裂纹在加载阶段从试样壁厚中部起始,沿45°或135°向内外壁剪切扩展;而在较低爆压下,破坏发生在自由膨胀阶段,断裂从内壁起始向外壁剪切扩展,两者破坏过程和机制不同,总体来说,与实验现象符合较好。相关实验中出现的一些外壁拉伸断裂现象,可能与试样的几何、材料缺陷等因素相关,其对金属圆管爆炸破坏的影响值得进一步关注。     

表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.      

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

α-钛合金TA6的动态力学性能和剪切现象分析

诸多文献已经报道了β和(α β)钛合金冲击和爆炸加载下的绝热剪切现象,本文利用分离式的Hopkinson压杆和反射式Hopkinson拉杆对α-钛合金TA6的动态力学性能进行研究,得到不同应变率下材料的应力-应变曲线,发现钛合金TA6和其他钛合金一样也是一种应变率敏感材料。冲击拉伸加载时破坏形状45度剪切断口,然而其在冲击压缩应力作用下体现为典型的韧性,并未出现其它类型钛合金通常会出现的绝热剪切破坏。进一步分析表明:α-钛合金TA6不同于β和(α β)的钛合金,α-钛合金TA6相对于β和(α β)的钛合金是一种绝热剪切不敏感的材料。同时也利用应力状态的柔韧系数的概念对拉伸时45度的剪切断口解释。     

内爆加载下金属柱壳的冻结回收方法

针对内爆炸载荷下膨胀态金属柱壳的回收问题，设计了冻结回收试验方法，实现了起爆后不同时刻金属柱壳的冻结回收。基于一体式壳体提出了3种改进结构，并分别对4种柱壳结构在内爆载荷下的膨胀断裂过程进行数值模拟。结果表明，两段式结构最有利于减小非起爆端对预期回收中间段壳体的影响。根据选定的最优壳体结构和金属柱壳在起爆后不同时刻的膨胀外形特征，设计与之匹配的冻结回收装置并进行冻结回收试验。试验结果表明，设计的冻结回收试验方法可以实现膨胀态金属柱壳的回收，回收壳体的轴向和径向尺寸与设计理想值符合较好，整体误差可控制在10%以内。     

内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变

研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对20钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析,探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征,同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征进行分析。研究发现:20钢柱壳近内表面满足α→ε相变热力学条件的有限深度区域内,α晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征;电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化,且存在{112}<111>和{332}<113>两种孪晶,同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格(HCP)的ε相结构,而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部(0～3.0 mm)区域外均未见ε相结构残留。分析认为:冲击过程中发生了α→ε相变;相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程;考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响,对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义,有必要开展进一步研究。     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

脆性膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

发展了一种液压冲击脆性膨胀环实验技术,通过可升降的凸台对脆性膨胀环进行精确的对心定位安置,避免偏心膨胀带来的弯曲断裂,通过膨胀环试件上的半导体应变片测量其在拉伸碎裂过程中的应变时程曲线;对典型脆性材料碳化硅（SiC）陶瓷进行了膨胀拉伸碎裂实验研究,获得了其动态拉伸断裂强度和碎片平均尺寸及分布。实验结果表明:(1) 液压冲击膨胀环实验能较好地实现脆性膨胀环的拉伸碎裂,在应变率101 s?1量级下,SiC陶瓷拉伸断裂应变为3.7×10?4～7.4×10?4,平均拉伸断裂应力为206 MPa;(2) SiC陶瓷无量纲化平均碎片尺寸落于多种脆性碎裂预测模型的合理区间内,随着加载应变率的提高,SiC陶瓷的平均碎片尺寸减小;(3) SiC陶瓷拉伸碎裂的碎片分布基本符合Rayleigh分布,但是在细小尺寸上和大尺寸碎片分布上存在一定偏差。     

韧性材料冲击拉伸碎裂中的碎片尺寸分布规律

利用有限元方法模拟韧性金属圆环高速膨胀过程中的碎裂过程, 获得不同初始膨胀速度下碎片的样本集合. 通过对碎片的尺寸进行统计分析发现:(1)无论初始膨胀速度如何, 碎片的归一化尺寸分布具有相似性, 可以用一个具有初始阈值的Weibull分布描述, 近似地, 这个分布还可以简化为Rayleigh分布;(2)碎片尺寸的累积分布曲线呈现阶梯特性, 表现出较明显的"量子化"特性.在上述发现基础上, 建立一个Monte-Carlo模型:碎裂点来自于颈缩点, 颈缩之间的间距满足某种连续的Weibull分布, 而碎片的尺寸为随机的若干个颈缩间距之和.概率模拟表明:除非早期的颈缩间距分布很宽, 否则选择的离散性必然导致碎片尺寸分布呈现某种量子化特性.采用L04工业纯铝和无氧铜试件进行了爆炸膨胀碎裂实验, 回收得到的碎片尺寸分布结果与理论分析基本一致.     

缺陷对脆性材料碎裂过程的影响

采用特征线方法模拟脆性材料中应力波的传播过程,采用内聚力模型模拟断裂点的断裂过程,运用C++语言开发了一个模拟脆性圆环发生一维膨胀碎裂过程的实用工具ExpRing,简要给出了该程序的理论基础和使用说明。采用此程序模拟了具有初始缺陷的脆性圆环在均匀膨胀作用下的碎裂过程,探讨了不同应变率下,缺陷分布特征对碎裂过程和平均碎片尺寸的影响。计算结果表明:(1)在一定的应变率范围内,等间距分布的点缺陷会控制断裂点的位置及碎片个数,在碎片尺寸 应变率曲线上形成一个缺陷控制碎裂平台;(2)点缺陷的间距和弱化程度将影响缺陷控制碎裂平台的宽度和位置;(3)具有缺陷的脆性材料的表观强度呈现应变率硬化特征;(4)在一定的应变率范围内,正弦分布型缺陷同样导致缺陷控制碎裂的现象。     

TC4钛合金自然破片的引燃机理分析

对两种热处理条件不同的ＴＣ４钛合金圆筒在内部爆轰加载下的自然破片形成过程作了研究，并对破片的宏观断裂特征和细观断裂机理进行了分析。研究结果表明，一些引燃战斗部采用钛合金壳体的根本原因在于利用壳体破裂时形成的高温绝热剪切带和钛元素本身在高温下的剧烈氧化性。     

再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响

使用二辊轧机对TA2工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理,制备了冷轧总变形量为70%的TA2纯钛板。通过对冷轧TA2纯钛板进行500℃加热、不同保温时间的退火处理,获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽形试样和限位环变形控制技术,在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击冻结实验,结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化,研究了再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明,随着退火保温时间的延长,试样再结晶晶粒占比逐渐增大,晶粒分布由分散向局部聚集转变;在相同应变和应变率下,在所有试样中都观察到了绝热剪切带,再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化,结合剪切区整体温升分析发现,再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成,而剪切带发展后期产生的绝热温升会促进剪切带内材料发生二次再结晶,提高剪切带内材料的韧性,延缓剪切裂纹的形成。     

动态载荷下剪切变形局部化、微结构演化与剪切断裂研究进展

总结和评述了近年来金属与合金变形局部化的形成、微结构演化与剪切断裂方面作者和相关的研究工作成果. 材料包括低碳钢, SS304不锈钢, Fe-15%Ni-15%Cr单晶, Al-Li合金,α-Ti和Ti-6Al-4V, Al/SiCp复合材料等.综述内容主要包括:采用改进的Hopkinson扭杆装置,对剪切变形局部化形成、发展和演化过程进行了实验观察与数值模拟;采用"侧剖"与"对接"等定点方法制备电子显微镜薄膜试样,对剪切带内相变与再结晶、非晶转变、旋涡结构等动态变形现象,以及与宏观动态力学行为对应的位错胞的形成、发展和坍塌等微结构特征进行了观测;提出了应变和应变率同时作为剪切带形成的两个必要条件的直接实验证据;在剪切带内发现了α'$-马氏体相变现象,以及相变产物与母体之间的晶体学关系;通过位错单滑移或交滑移等微观剪切最后发展成为宏观剪切的机制;对剪切带内再结晶结构的观测和对再结晶动力学本构关系的定量描述;对剪切带特别是``白色'腐蚀带(或相变带)的形成机制的分析和新的解释,指出 ``白色'是带内亚结构取向趋于一致,其在光学或扫描显微镜下很难辨认这些亚结构的取向差所致,并非表明剪切带内一定发生了相变;通过截断实验和实时跟踪观测发现,剪切带内微裂纹的萌生与聚合是材料承载能力骤然下降并导致最后断裂的主控因素.此外,本文对近年来在准静态和循环加载下材料的局部化形变与剪切断裂的实验结果予以简要评述,指出其微观机制与动态载荷下的截然不同, 是由位错的平面滑移所控制的,与热效应无关的等温变形.      

内部爆轰加载下的钢管膨胀断裂研究

采用一种改进后的前照明分幅摄影技术,研究了45号钢管在三种不同猛度炸药加载下的膨胀断裂行为,得到了与材料动态断裂行为有关的一些参数值。还结合壳体材料性质及载荷强度,对破片的断裂特征及尺度分布进行了讨论。     

高强度榴弹钢的破片机理研究

对高强度榴弹钢５０ＳｉＭｎＶＢ和５８ＳｉＭｎ的破片机理进行了研究。破片的表面形貌和组织变化表明，在初始阶段，榴弹内壁破片裂纹沿法线与半径方向呈／４夹角的平面绝热剪切而形成。５０ＳｉＭｎＶＢ钢的晶界弱化使其临界绝热剪切应变小于５８ＳｉＭｎ钢，从而表现出两者破片质量分布的差异。     

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5～844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片（大于8 mm）失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。     

圆柱形爆炸容器绝热剪切瞬态失效过程

开展了圆柱形爆炸容器逐级加载和破坏实验,根据容器最终的断裂面和微观形貌观测,提出了爆炸容器绝热剪切失效模式.建立了应变率-应变空间内的绝热剪切损伤演化模型,将绝热剪切不同演化阶段的临界状态与宏观的力学条件联系起来,并将这些力学临界条件作为动态失效准则引入到宏观计算程序中,模拟爆炸容器发生绝热剪切的的瞬态过程,模拟结果成...     

Adiabatic shear banding and scaling laws in chip formation with application to cutting of Ti–6Al–4V

The phenomenon of adiabatic shear banding is analyzed theoretically in the context of metal cutting. The mechanisms of material weakening that are accounted for are (i) thermal softening and (ii) material failure related to a critical value of the accumulated plastic strain. Orthogonal cutting is viewed as a unique configuration where adiabatic shear bands can be experimentally produced under well controlled loading conditions by individually tuning the cutting speed, the feed (uncut chip thickness) and the tool geometry. The role of cutting conditions on adiabatic shear banding and chip serration is investigated by combining finite element calculations and analytical modeling. This leads to the characterization and classification of different regimes of shear banding and the determination of scaling laws which involve dimensionless parameters representative of thermal and inertia effects. The analysis gives new insights into the physical aspects of plastic flow instability in chip formation. The originality with respect to classical works on adiabatic shear banding stems from the various facets of cutting conditions that influence shear banding and from the specific role exercised by convective flow on the evolution of shear bands. Shear bands are generated at the tool tip and propagate towards the chip free surface. They grow within the chip formation region while being convected away by chip flow. It is shown that important changes in the mechanism of shear banding take place when the characteristic time of shear band propagation becomes equal to a characteristic convection time. Application to Ti–6Al–4V titanium are considered and theoretical predictions are compared to available experimental data in a wide range of cutting speeds and feeds. The fundamental knowledge developed in this work is thought to be useful not only for the understanding of metal cutting processes but also, by analogy, to similar problems where convective flow is also interfering with adiabatic shear banding as in impact mechanics and perforation processes. In that perspective, cutting speeds higher than those usually encountered in machining operations have been also explored.