钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响.实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能.在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏.同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合.     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

TA2钛合金开口柱壳外爆碎片分布研究

金属柱壳爆炸膨胀断裂机制及其对碎片分布、特征尺寸的影响是应用物理、力学、兵器工程等领域共同关心的重要课题, 但目前除数值模拟外, 考虑断裂机制的简单二维碎裂模型尚未出现.开展TA2钛合金开口柱壳在不同装药条件下的碎裂实验研究, 通过对软回收碎片的统计及微观分析, 探讨金属柱壳外爆断裂模式及二维碎片分布规律, 结果显示:(1) TA2钛合金柱壳在实验爆压(7 $\sim$ 25 GPa)下宏观断口均为剪切断裂模式, 但机制不同, 在较高爆压下柱壳剪切断裂由多重绝热剪切带破坏控制, 在较低压力下为剪切破坏;(2) 与一维拉伸碎裂相比, 柱壳爆炸碎裂不充分, 碎片质量更符合$\beta=1$ (或更接近1)的指数分布; 爆炸碎裂越充分, 碎片越小并趋于均匀, $\beta$趋于较小的值, 趋向Mott和Linfoot提出的泊松统计分布形式;(3) Rayleigh分布可以较好描述柱壳碎片的宽度分布规律, 不同爆压下柱壳碎片宽度归一化尺寸分布具有相似性, 呈现"量子化"特性, 即存在最小的特征尺寸; (4) TA2柱壳碎片特征尺寸远大于G-K剪切断裂公式预测的尺寸, G-K剪切式描述的是多重绝热剪切带间距.本研究为金属柱壳碎片特征、分布规律及其模型分析提供了重要参考.      

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

铝合金 2A12韧性断裂机制的实验研究

用轴对称圆棒静拉伸实验研究了铝合金2A12韧性断裂的特点,并探讨了临界空穴扩张比参数-VGC在实验材料上的适用性。实验测试了实验材料的拉伸特性参数及VGC参数。实验证实实验材料在不同应力状态下会发生断裂形式的转变,光滑试样表现为剪切破坏,而缺口试样为拉伸破坏,VGC参数对材料的断裂形式较为敏感。用SEM观测了试样断口显示缺口试样为空穴聚合型断裂机制。VGC参数只适用于以拉伸型断裂为主的缺口试样,对以剪切断裂为主的光滑拉伸试样不适用。     

铝合金与槽型界面钢板的爆炸焊接

采用尺寸为4 mm×410 mm×410 mm的5083铝合金和尺寸为15 mm×400 mm×400 mm、表面开有燕尾槽的Q345钢板作为爆炸焊接的覆板与基板,根据理论公式得到铝合金-钢爆炸焊接下限后,选取其附近的参数进行爆炸焊接,再通过力学性能检测和微观形貌观察研究5083/Q345复合板界面的结合性能。实验结果表明:铝合金与钢在冶金结合和燕尾槽的挤压啮合共同作用下实现爆炸复合;铝合金与燕尾槽上底面、倾斜面和下底面的界面均呈平直状。铝合金与燕尾槽上底面、下底面以直接结合和不连续熔化块相结合的方式复合,而铝合金与燕尾槽倾斜面以连续熔化层的方式复合;复合板的剪切强度大于172 MPa,满足Al/Fe复合板结合强度的要求。     

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。     

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。     

爆炸金属管的绝热剪切断裂宏观研究

本文介绍了45号钢、TC4钛合金及WTG05钨合金三种金属管在内部爆炸载荷下的宏观剪切断裂行为,并对此作了一些初浅的分析,提到了实验中发现的钛合金的一种反常单向性剪切起裂现象,同时发现该钨合金在爆炸应变率下表现为脆性断裂。     

内部爆炸薄圆板的变形及有效载荷

为了研究内爆炸薄圆板的失效与作用载荷特性，在双圆筒装置内开展了铝质、钢质薄圆板内爆炸实验，分析了圆板破坏模式及比冲量载荷特性，并基于相同变形下载荷相等原理，得到了钢质圆板极限变形下的有效比冲量及作用时间，提出了该工况下圆板变形的预估模型。结果表明:在内爆炸载荷作用下，薄圆板的夹持边界和几何中心是应力集中区，产生了塑性大变形、拉伸撕裂、剪切断裂3种破坏模式；圆板的比冲量载荷由初始的波浪式增长逐渐转化为线性增长，30～80 g某温压装药使1 mm厚钢质圆板产生极限变形的有效比冲量作用时间在2.26～2.93 ms之间，经验证，圆钢板变形预估模型得到的装药质量与实验装药质量偏差小于13.3%。     

外部爆轰加载过程中金属圆管断裂实验研究

利用脉冲X光照相技术和高速摄影对HR 2抗氢钢圆管在外部爆轰加载下的压缩过程进行了动态诊断。X光照相观察到抗氢钢圆管在压缩过程中管壁内出现了宏观裂纹 ,回收破片具有显著的剪切断裂特征 ,金相分析观察到了绝热剪切带及微孔洞与微裂纹。对半圆管结构的压缩过程进行了高速摄影 ,直接观测到抗氢钢圆管内壁裂纹萌生与发展的动态过程。由两种动态诊断实验结果对比分析推断 ,抗氢钢圆管在外部爆轰加载压缩过程中 ,裂纹首先在圆管内壁生成。     

一种基于SHPB的冲击膨胀环实验技术

设计了一种基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)的冲击膨胀环实验装置,实验装置包括一个液压腔,一侧为驱动活塞,另一侧为圆环试件封闭。对活塞施加轴向冲击,利用液体体积近似不可压缩的特性,通过液压腔截面积的大比例缩小,将较低速度的对活塞冲击转化为圆环试件沿径向的高速膨胀,驱动试件发生拉伸变形直至断(碎)裂。使用这种冲击膨胀装置,获得了LY12铝环在不同撞击速度下碎裂过程的初步结果。实验结果显示,随着撞击速度增大,圆环试件碎裂产生的碎片的尺度减小,试件的表观断裂应变增加。这为研究材料的动态拉伸碎裂问题提供了一种加载方式。     

泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响

为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能，研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验，发现在本文的实验条件下，泡沫铝内衬导致钢筒变形增大，甚至发生了严重的破坏；进而建立有限元模型，研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明，添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形，但泡沫铝厚度不足时，则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒，随着爆炸当量增加，泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1，泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷，从而减小钢筒变形。模式2，泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大，钢筒塑性变形增大。模式3，泡沫铝对载荷强度的影响可忽略，泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH,TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应：界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

粉末烧结钨合金材料的绝热剪切研究

在分离式霍普金森压杆装置上对斜圆柱粉末烧结钨合金试件进行了冲击实验,由于斜圆柱结构中剪切分量在冲击压缩中的持续作用,实验中观察到了宏观破断现象。利用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对试件断面和试件的纵截面进行了分析,观察到了贯通钨颗粒的绝热剪切带这一变形局部化现象。对粉末烧结钨合金绝热剪切破坏机制进行了分析。     

爆炸金属管绝热剪切断裂的细观研究

介绍了正火及调质后45号钢、TC4钛合金和钨合金四种金属管在内部高能炸药加载下,破片宏观剪切断口的细观断裂形貌;观察到这四种金属管不同的细观剪切断裂机制。根据金相研究及物理分析表明,金属材料的热导率越低,晶粒越细,则越容易产生绝热剪切,生成相变带。     

Instability and failure of internally pressurized ductile metal cylinders

Forlong, ductile, thick-walled tubes under internal pressure instabilities and final failure modes are studied experimentally and theoretically. The test specimens are closed-end cylinders made of an aluminum alloy and of pure copper and the experiments have been carried out for a number of different initial external radius to internal radius ratios. The experiments show necking on one side of the tubes at a stage somewhat beyond the maximum internal pressure. All tubes, except for one aluminum alloy tube, failed by shear fracture under decreasing pressure. The aluminum alloy tubes exhibited localized shear deformations in the neck region prior to fracture and also occasionally surface wave instabilities. The numerical investigation is based on an elastic-plastic material model for a solid that develops a vertex on the yield surface, using representations of the uniaxial stress-strain curves found experimentally. In contrast to the simplest flow theory of plasticity this material model predicts shear band instabilities at a realistic level of strain. A rather sharp vertex is used in the material model for the aluminum alloy, while a more blunt vertex is used to characterize copper. The theoretically predicted bifurcation into a necking mode, the cross-sectional shape of the neck, and finally the initiation and growth of shear bands from the highly strained internal surface in the neck region are in good agreement with the experimental observations.