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。     

改性双基推进剂高低应变率下压缩特性试验研究

在室温20 益下,利用分离式霍普金森压杆( SHPB) 和材料万能试验机进行了某改性双基推进剂高低应变率下压缩试验,并对SHPB 试验数据有效性进行了检验,获得了1. 1 伊10 -4 ~4 伊 103 s-1应变率范围内的真实应力-应变曲线。试验结果表明:改性双基推进剂具有明显的应变率相关性。低应变率下,真实应力-应变曲线表现为初始弹性段、屈服及应变强化段和急剧下降阶段, 最后表现为试件沿45毅~55毅斜面发生破坏,且破坏应力和破坏应变均随着应变率增加而增加;高应变率下,真实应力-应变曲线的应变强化阶段消失,表现为应变软化效应。改性双基推进剂的初始弹性模量和屈服应力均随着应变率的增加而增加,且动态相比准静态下增加更加显著。屈服应力为应变率对数的双线性关系,且高应变率下比低应变率下表现出更显著的应变率敏感性。     

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。     

一种含铝炸药压缩力学性能和本构关系研究

对某含铝炸药进行了准静态和动态压缩实验,得到了不同初始密度的材料在不同应变率下的应力-应变曲线;曲线表明,材料的压缩强度随初始密度及加载应变率的增大而增加;初步建立了材料在不同初始密度、不同应变率下的本构模型,拟合曲线与实验曲线吻合较好,对该炸药不同密度下的力学行为特征和应变率效应得到了较为系统的认识。     

海绵橡胶非线性静动态力学特性和本构关系

针对海绵橡胶的物理特性展开了准静态单轴压缩实验和分离式Hopkinson压杆动态压缩实验,得到海绵橡胶材料的应力-应变曲线,并对材料的应变率效应及材料的变形和破坏特性进行深入分析,在此基础上给出材料的动静态本构关系。结果表明：海绵橡胶材料在准静态加载下,应变大于0.3时,应力-应变曲线才开始偏离坐标轴,表现出非线性特征;在冲击载荷下,海绵橡胶的应变率效应并不明显。     

动态帽型剪切试样分析及实验验证

对霍普金森帽型试样动态剪切实验及其数据处理开展理论和有限元分析。利用分离式霍普金森压杆对TA2钛合金封闭平板帽型剪切试样进行实验验证,采用数字图像相关法直接测试加载过程试样剪切区的应变演化。结果表明：只要试样设计加载过程试样剪切区应力状态罗德参数μ_σ满足-0.46<μ_σ<0.46条件,即可当作剪切状态处理得到等效应力,其误差不超过3.4%;帽型剪切试样实验处理得到的等效应力-应变本构曲线与圆柱动态压缩本构实验结果符合较好,并且剪切曲线可反映出材料发生绝热剪切起始、扩展演化以及破坏的“软化”过程。     

两种炸药材料本构行为的应变率效应分析

对PBX和B炸药两种压装炸药进行了应变率为10-4～102s-1的压缩实验,得到了两种炸药材料在不同应变率下的应力-应变曲线;通过回收试样的SEM观测,对材料的破坏模式进行了细观考察;初步建立了材料在高应变率下的本构模型;对两种炸药力学行为的特征和应变率效应得到了较系统的认识.     

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。     

海绵橡胶非线性静动态力学特性和本构关系

针对海绵橡胶的物理特性展开了准静态单轴压缩实验和分离式Hopkinson压杆动态压缩实验,得到海绵橡胶材料的应力-应变曲线,并对材料的应变率效应及材料的变形和破坏特性进行深入分析,在此基础上给出材料的动静态本构关系。结果表明:海绵橡胶材料在准静态加载下,应变大于0.3时,应力-应变曲线才开始偏离坐标轴,表现出非线性特征;在冲击载荷下,海绵橡胶的应变率效应并不明显。     

30CrMnSiNi2A钢在不同应变率下的力学性能研究

选用30CrMnSiNi2A钢的3组试样:正火处理,硬度为19(标号1)、860℃淬火200℃回火,硬度为49(标号2)、860℃淬火600℃回火,硬度为34(标号3),在电子万能材料实验机和SHPB动态测试装置上进行不同应变率下的静态压缩和动态冲击实验。结果显示,30CrMnSiNi2A钢屈服强度具有一定的应变率敏感性。根据静态、动态实验结果,结合Perzyna公式,得到3组试样钢屈服强度与应变率之间的关系式。进一步利用实验结果,结合Johnson-Cook模型拟合出3组试样钢的本构方程,通过拟合方程得到的应力-应变曲线与实验所得应力-应变曲线非常吻合,表明该方程能较好描述试样的本构关系。     

TC4钛合金动态本构模型与高速切削有限元模拟

利用SHPB实验装置,测试TC4钛合金在20～600℃、应变率为103～104s-1下的流动应力和应变的关系,应用自适应遗传算法(GA)优化建立适合高速切削模拟的Johnson-Cook(JC)热粘塑性本构模型,该模型可在较高温度和较宽应变率范围内精确预测TC4的流动应力。以所建的Johnson-Cook模型为材料本构模型,应用大型商用有限元软件ABAQUS,并使用切屑分离准则,建立高速正交切削有限元模型。将模拟结果与高速正交车削的实验数据进行比较,证实本构模型和有限元模拟的正确性。     

锆基多功能合金的动态压缩性能研究

利用分离式Hopkinson压杆装置研究锆基多功能合金的动态压缩性能,利用扫描电镜和能谱仪对动态压缩断口进行形貌观察和成分分析。结果表明:锆基多功能合金具有较低的应变率敏感性;合金动态压缩强度高达2 500 MPa,且随着应变率的提高,塑性变形量不断增大;动态压缩下锆基合金表现为脆性断裂,断口形貌包含剪切韧窝和滑移沟槽,断面上有部分区域发生了氧化反应。     

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。     

基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

不同组织Ti6321钛合金在低温高应变速率下的变形和断裂行为

针对目前关于船用钛合金在低温和高应变率速率下的研究不足的问题,通过热处理获得3种组织的Ti6321钛合金,研究不同组织在温度-80~25 ℃、应变速率2 500 s^-1及3 500 s^-1左右的变形和断裂行为。采用低温分离式霍普金森压杆实验装置进行加载,通过光学显微镜和扫描电子显微镜等表征方法,对其微观组织演化进行观察分析。研究结果表明：随着温度的降低,Ti6321钛合金强度增加,塑性减小;在室温下,双态组织具有较好的强塑性匹配;随着温度的降低,等轴组织具有较高的强度和较好的低温塑性变形能力,表现出良好的低温动态压缩性能。断裂机制研究表明等轴组织和双态组织表现出典型的韧性断裂特征;魏氏组织断口出现高低不平的解理面,表现出明显的脆性断裂倾向。     

Mg65Cu20Ag5Gd10块体非晶合金的动态压缩特性

利用霍普金森压杆(SHPB)装置对Mg65Cu20Ag5Gd10块体非晶合金材料进行了动态压缩试验，应变率范围102—103 S-l，采用扫描电子显微镜研究了其断口形貌特征。结果表明：Mg65 Cu20Ag5 Gdlo块体非晶合金在动态压缩条件下的断裂强度值最高为704 MPa，变形过程中没有出现宏观塑性变形阶段；Mg65 Cu20Ag5 Gd10块体非晶合金的断裂强度随发射子弹气压增加有增高的趋势，而断裂应变则随着压缩载荷的增加而降低；断口上存在解理台阶证明Mg65 Cu20Ag5 Gd10块体非晶合金为脆性断裂，同时在断口上存在条状花样和光滑区域相结合的形貌特征。     

Ti6321钛合金在Taylor杆冲击下的动态断裂微观组织观测

通过固溶处理获得近α型Ti6321钛合金的双态和魏氏组织,研究不同组织对材料在Taylor杆冲击条件下动态损伤和断裂行为的影响。利用Taylor杆对材料进行动态加载,弹体的撞击速度范围为146~228 m/s,结合光学显微镜、扫描电子显微镜和定量金相表征方法对其微观组织演化进行观察分析。结果表明：双态组织的Ti6321合金具有更好的抗冲击性能;双态组织和魏氏组织试样在加载后的显微组织均发生了明显变化,随着冲击加载速度的增加,双态组织的初生α晶粒尺寸由25.3 μm减小至16.7 μm,次生α相和β相在载荷作用下变形、碎化;对于魏氏组织钛合金,次生α相沿受力方向显著拉长;观察断口可以发现,两种组织试样的断口均可以分为光滑熔融区和韧窝区,两个区域之间的界限并不明显;两种组织试样均发生了绝热剪切破坏,相比于魏氏组织,双态组织Ti6321合金具有较低的绝热剪切敏感性。     

钨锆合金的动态力学特性研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术,在不同的冲击载荷条件下,对钨锆合金（52.6/47.4）的动态压缩性能进行实验研究,获取该材料在发生反应与不反应情况下的应力-应变曲线,并分析该材料的冲击响应特性。结果表明：钨锆合金是一种典型的弹脆性含能结构材料,在冲击压缩过程中会出现中应变率（＜500 s-1）脆性断裂（未反应）和高应变率（＞1 000 s-1）冲击反应两种状态。