钛合金（Ti—17）的动态力学性能和损伤特性

利用分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆冲击加载装置,采用圆柱和锥台两种试样,在高应变速率加载条件下研究Ｔｉ－１７合金的应力应变响应和动态损伤特征实验结果表明,动态屈服应力和断裂应力比静态相应值高宏观损伤对应变速率敏感,而对应力不敏感,出现宏观损伤的临界应变速率．试样微观解剖显示绝热剪切带是材料宏观损伤的先兆,试样主要沿剪切带发生破坏、在垂直加载轴的横截面上,绝热剪切带呈圆弧形,平行加载轴剖面上绝热剪切带沿最大剪切应力方向．锥台试样中绝热剪切带的应变从始点到终点逐渐减小     

高速弹丸冲击诱发TC4中绝热剪切带的微观结构

利用弹丸高速冲击TC4钛合金靶板,采用透射电子显微镜(TEM)研究诱发的绝热剪切带(ASBs)附近及内部微观结构。ASBs附近区域微观结构的观察表明,ASBs边界容易成为诱发裂纹萌生的核心;ASBs附近积聚了很大的内应力,容易形成高密度的缠结位错、条带状位错胞等位错组态和应力诱发马氏体结构。ASBs内部微观结构的观察表明,ASBs为应力诱发结构,沿垂直ASBs的方向,越接近ASBs的中心部位,晶粒碎化越严重;在ASBs中没有观察到典型的动态再结晶(DRX)晶粒特征,观察结果不支持ASBs中发生DRX以及ASBs的发源与传播都和DRX有关这一传统观点;同时在ASBs中心区域出现了玻璃态的非晶结构。     

钛合金J-C动态本构参数高精度分析及抗弹性能研究

高速冲击下金属材料动态力学行为和变形局域化即绝热剪切变形的研究对材料在冲击环境下科学应用具有重要的意义。针对工程材料在大应变、高应变率和高温环境等应用条件,J-C本构方程是一种有效的处理手段。本文利用 “材料J-C本构参数及损伤模型参数测定系统”软件,通过聚类全局优化法获得一种近α型钛合金材料的J-C动态本构参数,规避了传统测定方法计算量大、方法复杂,且无法体现参数关联性等缺点;通过钛合金靶板的抗弹性能测试,利用J-C本构参数,采用商业动力学计算软件AUTODYN对枪击试验完成了模拟,模拟的各项结果与试验数据吻合度高,验证了J-C动态参数的准确度和精确性;通过弹孔显微组织分析可知在裂纹的末端可以观察到绝热剪切带,证明裂纹的萌生是由绝热剪切带引起,表明高速冲击动态环境下的失效模式主要为绝热剪切。     

挤压态AM30镁合金高速冲击载荷下的断裂形貌分析

采用扫描电镜(SEM)及光学金相显微镜观察了挤压态AM30镁合金在高应变速率的压缩及拉伸载荷作用下,沿挤压方向及横向断裂之后的微观组织形貌,研究了不同微观形貌的形成原因.结果表明,挤压态AM30镁合金在高速压缩时为脆性断裂,而在高速拉伸时不论是横向还是挤压方向均为韧、脆混合断裂,且随着应变速率的增加脆性增大.除了断裂之外,挤压态AM30镁合金在高速冲击载荷作用下的失效形式还有绝热剪切及内部裂纹扩展.     

Ti-B19钛合金绝热剪切带研究

对Ti-B19钛合金Φ13mm×40 mm柱型弹丸打靶后的显微组织进行了研究。结果表明:Ti-B19合金的基体组织为β相+均匀弥散的次生α相,高速冲击后组织中有条明显的“白亮带,”即绝热剪切带(ASB)。在ASB和基体的界面处,片状α沿ASB扩展方向产生弯曲变形,ASB内发生相变,形成细小(不超过0.1mm)且呈等轴状的晶粒组织,这是ASB内动态再结晶的结果,ASB发展到一定程度形成微裂纹。可以说,绝热剪切带是材料高速率变形条件下损伤的原因、。     

Ti-B19钛合金绝热剪切带研究

对Ti-B19钛合金φ13 mm×40 mm柱型弹丸打靶后的显微组织进行了研究.结果表明Ti-B19合金的基体组织为β相+均匀弥散的次生α相,高速冲击后组织中有条明显的"白亮带",即绝热剪切带(ASB).在ASB和基体的界面处,片状α沿ASB扩展方向产生弯曲变形,ASB内发生相变,形成细小(不超过0.1 mm)且呈等轴状的晶粒组织,这是ASB内动态再结晶的结果,ASB发展到一定程度形成微裂纹.可以说,绝热剪切带是材料高速率变形条件下损伤的原因、.     

含低速冲击损伤复合材料层合板的压缩失效

通过含低速冲击损伤的两种平面编织复合材料层合板（G803／5224、G827／5224层合板）的压缩试验,研究了低速冲击损伤对复合材料层合板失效行为的影响。试验后采用超声c扫描检测、外观检查与断口侧面宏观观察方法对损伤与失效特征进行了对比分析。结果表明,两种含低速冲击损伤层合板被压缩时,G803／5224层合板冲击背面首先发生子层微屈曲,微屈曲沿着垂直于压缩方向扩展,最后剪切分层失效;G827／5224层合板冲击背面首先发生子层屈曲分层,屈曲分层也是沿着垂直于压缩方向扩展,最后剪切屈曲失效。两种层合板低速冲击后压缩的失效模式与光滑板压缩失效模式基本相同。     

Ti-6Al-4V合金两次侵彻弹着点损伤及组织演化

利用装甲钢平头弹丸垂直侵彻Ti-6A1-4V合金靶板,分析相同弹道学条件下,两次侵彻同一靶板不同位置材料的微观组织与弹着点损伤演化特征.研究靶板两次侵彻损伤程度和一次侵彻对再次侵彻造成的影响.结果表明,两次侵彻形成的剪切带都萌发于靶板与受力方向成45°角方位.第1次侵彻形成的剪切带较短,剪切带有弯折与扭转,剪切带在与受力方向成45°角萌发后沿浅表面向30°角方向扩展.第2次侵彻形成的剪切带较长,剪切带内孔洞相连,剪切带在与受力方向成45°角方位形成后向平行于受力方向纵深发展.第2次剪切损伤大于第1次剪切损伤的主要原因是第1次侵彻过程中靶板局部区域形成了绝热剪切带,从而引起了靶板材料强度增高、残余应力呈不均匀分布以及笫2次侵彻过程中残余应力与应力叠加、局部应变硬化以及应变率硬化所致.     

取样方向对冷轧Cu板动态强迫剪切变形行为的影响

分别沿与冷轧Cu板轧向成0°(RD-0°),45°(RD-45°)和90°(RD-90°)方向取帽形试样,利用Split-Hopkinson压杆实验装置,研究了强迫剪切条件下冷轧Cu板的动态变形特征.结果表明:冷轧Cu板强迫剪切动态力学行为呈现出明显的各向异性,RD-90°方向屈服强度和峰值应力最大,RD-45°其次,RD-0°方向最小.不同方向的绝热剪切变形行为也表现出较大的差异,RD-0°方向的绝热剪切带内的变形相比其它2个方向均匀,绝热剪切敏感性最弱.基于剪切应力-剪切应变曲线和绝热剪切扩展所需能量,定性解释了不同方向绝热剪切敏感性的差异.EBSD的实验观察表明,3个方向上的剪切带内均有超细晶存在.基于亚晶旋转动态再结晶机制,理论计算结果证实了剪切带内发生再结晶的动力学可行性.     

复合材料层合板低速冲击后压缩损伤特征研究

试验研究了5224/G803和5224/G827两种复合材料层合板低速冲击及冲击后压缩载荷作用下的损伤特征.结果表明,两种层合板低速冲击损伤特征基本相同,均存在分层、纤维断裂与基体裂纹.5224/G803层合板冲击正面和背面在压缩载荷作用下的损伤特征相同,均为纤维基体剪切断裂.而5224/G827层合板冲击正面在压缩载荷作用下为纤维基体剪切断裂失效,冲击背面则以分层损伤为主.     

高速弹丸冲击诱发TC32钛合金中绝热剪切带的组织演化行为

采用光学显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr钛合金在高速弹丸冲击后的组织特征和演变行为。在弹坑周围,绝热剪切带(ASB)和剪切应力一直呈半圆状分布。观察到绝热剪切带中尺寸较大等轴晶粒和细长板条亚晶粒的旋转细化过程。采用聚焦离子束(FIB)技术准确地从ASB中的裂纹尖端取样制备TEM样品,在裂纹尖端区域周围发现非晶区、非晶-纳米晶过渡区域、细小纳米晶区共存。计算结果表明,绝热剪切带内温度升高可导致微观组织熔化,快速淬火后形成非晶区和细小的纳米晶。由于绝热剪切带中的显微组织是细小的等轴晶和非晶,具有较高的强度,使形变带与基体之间成为相对较弱的区域,绝热剪切带中的裂纹也主要在该区域萌生,裂纹通过微孔洞旋转联结的方式扩展。     

航空铝合金自冲铆接接头微观失效研究

采用自冲铆接技术实现了2A12和6061航空铝合金薄板材料的有效连接,通过进行拉伸-剪切测试,从宏观层面分析了接头静失效形式,从微观层面研究了接头拉脱失效和基板断裂失效机理。结果表明：航空铝合金自冲铆接接头的主要静失效形式为拉脱失效,并有接头伴随纽扣脱落现象,同时有上板断裂和下板断裂的失效形式出现。对拉脱失效机理进行分析,从宏观上发现接头有明显的刮蹭和大幅的塑性形变;从微观上发现,上板的断裂失效机理为沿晶断裂和局部显微孔洞聚集,下板的断裂失效机理为板材上下边缘区域以剪切断裂为主、靠近试样厚度中心区域以微孔洞聚集型正断为主。     

一种高强钛合金靶材的穿甲损伤行为

采用一种钛合金靶材进行穿甲侵彻实验,通过弹坑解剖分析钛合金靶板穿甲破坏形貌,研究了该高强度钛合金靶板的损伤行为。结果表明:开坑阶段,弹丸头部比较容易进入靶板内部,在靶板表面首先产生金属堆积,没有发生过热的金属熔化现象。弹丸进入稳定侵彻阶段,形成绝热剪切带。绝热剪切带形成后,和周围材料不协调,成为微裂纹和微孔洞的起源。在一定的条件下,裂纹沿绝热剪切带萌生、扩展,形成了沿整个绝热剪切带的大裂纹,最终在穿孔表面形成碎片,从靶板上脱离,造成靶板的破坏。     

细晶93W-4.9Ni-2.1Fe合金动态压缩下绝热剪切带的形成及其特征

利用分离式Hopkinson动态压缩装置对添加0.03%Y2O3(质量分数, 下同)的细晶93W-4.9Ni-2.1Fe合金试样进行动态力学性能测试,观察分析了动态压缩后合金试样的显微组织。结果表明：在应变速率为1900 s-1下,合金沿着与冲击方向成45o的方向形成了明显的绝热剪切带,宽度10~25 μm。说明该合金对局部绝热剪切的敏感性大大提高且能在相对较低的应变速率下发生绝热剪切。同时位于剪切带中心区域的钨颗粒沿着其扩展方向被剧烈拉长成纤维状,表现出塑性流动局域失稳的特征     

纯锆的动态力学行为及绝热剪切带

使用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对纯锆在室温下进行动态压缩实验,应变速率为800～4000 s-1。采用金相显微镜和Quanta200型扫描电子显微镜对绝热剪切带及压缩断口进行观察。结果表明,纯锆具有较低的应变速率敏感性,由于高应变条件下产生了高密度的孪晶,材料硬化显著增强,真应力-真应变曲线随应变增加呈上升趋势,最大抗压强度为843 MPa。纯锆试样中观察到明显的绝热剪切带,且沿剪切带出现裂纹,压缩断口呈韧性断裂。绝热剪切带的出现和发展是材料失效的主要原因。对剪切带内部的温度进行了估算,结果表明,纯锆剪切带内部最高温度为1564℃。     

铝合金自冲铆接头静力学性能及失效机理分析

选择不同结构的自冲铆接头,进行静力学测试获得其静力学性能. 采用学生氏t分布对试验数据进行统计分析,以检验数据有效性. 选择宽板接头失效断口进行扫描电子显微(SEM)观察,从而研究接头失效机理. 结果表明,板材宽度和铆钉数量的增加均可有效增强接头静力学性能,其中铆钉数量的影响程度更为突出. 接头宏观静态失效模式均为下板脱离,板材宽度和铆钉数量会影响基板变形程度. SEM分析表明,上板主要承受拉伸,断裂部位呈现韧窝结构,最终影响接头失效位移. 下板承受拉伸和压缩,其变形特征对强度和位移均有影响.     

Ni-Ti形状记忆合金侵彻变形与断裂研究

研究了Ni-Ti形状记忆合金在高速冲击条件下的侵彻过程。利用光学显微镜对Ni-Ti形状记忆合金在高速冲击后的微观组织进行考察,分析Ni-Ti合金板材的损伤和断裂。结果表明:奥氏体相为基的Ni-Ti形状记忆合金板材,在高速冲击过程中,发生应力诱发马氏体相变;板材内形成剪切带、微裂纹等形式的损伤,导致材料发生变形和破坏;裂纹按着微孔洞聚集型机制扩展。     

ZK60镁合金绝热剪切行为及损伤断裂研究

利用高应变率厚壁圆筒外爆压缩实验,分别加载固溶态和挤压态试样,观察其绝热剪切带数量、分布规律(间距)及其扩展和损伤等,研究ZK60镁合金绝热剪切行为及损伤断裂。研究表明,多条剪切带在扩展过程中是相互竞争的,它们之间存在合并和分叉现象,最终剪切带沿着与径向成45°顺时针或135°逆时针方向几乎对称分布在试样截面上,两种旋向的绝热剪切带并没有出现择优分布。挤压态试样由于强度更高,其绝热剪切敏感性更高。裂纹优先在绝热剪切带内部形核,实验中观察到裂纹位于剪切带的边缘,这与绝热剪切带温度场分布有关。     

铝合金T形接头静止轴肩搅拌摩擦焊接及组织性能分析

成功实现了2219C10S铝合金T形接头的静止轴肩搅拌摩擦焊接,焊缝表面光滑平整,无明显减薄.从基板背部进行的超声相控阵检测结果表明,基板与肋板对合面全部焊透,接头内部无超标缺陷.接头横截面宏观金相可以观察到2个以肋板中心线对称分布的焊缝轮廓,单侧焊缝轮廓均超过了肋板中心线.接头横截面显微硬度分布趋势呈独特的“U”形,焊核区显微硬度最低.T形接头两个方向的拉伸试样起裂点位于“拉伸方向板材与接头R₁圆角的相切处”,但拉断试样断裂面的横穿区域存在较大差异,这也是沿肋板方向的抗拉强度比沿基板方向低20 MPa的主要原因.     

初生α相含量对TC4 ELI钛合金动态应力应变行为的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对低间隙Ti-6Al-4V(TC4 ELI)钛合金中4种初生α相含量不同的等轴组织在不同应变速率(2 000、3 000和4 000 s 1)下进行动态压缩试验,通过动态压缩试验得到材料的动态真应力—应变(σ—ε)曲线,并利用金相显微镜(OM)等对试验后发生剪切失效破坏试样的端面进行观察分析。结果表明:随着初生α相含量的增加,TC4 ELI的平均动态流变应力、均匀动态塑性应变和冲击吸收功(E)的变化规律不明显,在4 000 s 1应变速率加载条件下,4组试样均发生剪切失效破坏,在失效试样的端面观察到几乎呈同心的圆弧形白亮绝热剪切带(ASB),部分剪切带发生分叉,裂纹在剪切带内形核、长大和聚合,最终导致试样断裂。