混凝土材料拉伸强度的应变率强化效应实验研究

混凝土材料的拉伸强度具有明显的应变率强化效应。采用同批制作的混凝土圆盘和圆杆试样,利用霍普金森杆加载,进行动态劈裂实验和一维杆应力波层裂实验。借助超高速摄像机、数字图像相关(DIC)等测试方法观察实验中试件破坏过程,以准确测量混凝土材料在不同应变率下的拉伸强度。在劈裂实验中注重加载方式,以保证试件满足求解弹性解析解的中心起裂条件;在层裂实验中精确确定层裂发生位置和时刻,获得了可靠的材料拉伸强度,并分析劈裂拉伸与层裂拉伸强度的应变率强化规律。研究结果表明：对于动态劈裂实验,DIC方法显示圆盘中心起裂与否的临界应变率约为10 s^-1;而对于层裂实验,采用DIC方法可以得到多次层裂对应的拉伸强度及相应的应变率（10~100 s^-1）;通过线性拟合拉伸强度应变率强化规律,层裂拉伸强度随应变率增长的斜率较劈裂实验结果偏高,混凝土的层裂拉伸强度动态增强因子可达5以上。所得研究结果对脆性材料动态拉伸强度及应变率强化效应的准确测量,具有一定的参考意义。     

工业纯钛动态压缩特性及破坏的实验研究

用分离式霍普金森压杆对TA2工业纯钛进行了动态压缩及绝热剪切破坏实验研究,得到了不同应变率和不同温度下的宏观应力-应变曲线。通过对压缩本构特性及微观金相破坏的比较分析,讨论了应变率、表观压缩本构特性对绝热剪切形成的影响。结果显示:TA2试样动态压缩呈现绝热剪切破坏特征,绝热剪切带在空间呈对称的双锥形状;应变率越高,形成绝热剪切带的临界应变越小;分析表明,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展过程的本构软化信息。     

基于等径通道挤压法的超细晶铜动态剪切变形行为实验研究

采用等径通道挤压（ECAP）法制备了超细晶铜,分析其微结构的热稳定性及其对材料动态力学性能的影响。利用Hopkinson压杆及MTS液压伺服实验机对ECAP超细晶铜和原始铜帽型剪切试样进行应变控制加载,结合图像数字相关法及“冻结”回收试样的微观和X射线衍射分析,对其动态剪切变形行为及微观组织演化开展研究。结果表明：ECAP后的超细晶铜在准静态剪切下具有应变硬化特征,但在高应变率下剪切应力-剪切应变曲线呈软化特征;高加载率下产生动态再结晶的绝热剪切带是导致应变硬化率为负的原因;按塑性功计算的超细晶铜再结晶温度仅为325 K,因此超细晶铜在高应变率下易发生绝热剪切失稳变形现象。     

铝合金薄壁柱壳电磁胀形塑性失稳实验研究

利用高速相机记录电磁驱动6063-T6铝合金薄壁柱壳膨胀变形过程,结合二维数字图像相关法分析试样表面应变场演化,对金属柱壳电磁膨胀塑性失稳过程开展研究,探讨金属高速成形极限及影响因素。实验结果表明:6063-T6铝合金薄壁柱壳电磁高速膨胀成形开始为均匀变形,随变形发展试样表面应变场出现局域化集中并沿45°或135°方向失稳扩展,裂纹沿局域化集中带发展导致碎裂;电磁膨胀局域化过程中分散性失稳时的平均应变与准静态拉伸失稳应变相比并没有明显变化,而局域化带形成时的应变随加载率提高显著增大,分析认为薄壁板电磁高速胀形成形极限提高的"增塑性"主要与惯性效应与结构效应相关。     

不同填塞装药下金属柱壳断裂特性的实验研究

为探讨爆炸载荷特征对金属柱壳断裂过程的影响,设计不同厚度药柱填塞的TA2钛合金柱壳进行爆炸实验。金属柱壳爆炸膨胀碎裂后,对回收碎片进行微观破坏分析。结果显示：实心填塞装药时,TA2柱壳近内壁区域产生45°或135°分布的绝热剪切带,裂纹沿剪切带扩展导致剪切型断裂;1.9 mm厚空心药柱时,柱壳仍呈剪切断裂模式,但裂纹首先在柱壳厚度中部产生并向内外表面发展;随空心药柱厚度减薄至1.2 mm,柱壳厚度中部的损伤带更宽且发生层裂。分析认为,柱壳爆炸膨胀断裂模式及其机制不仅与爆炸压力相关,还与载荷脉宽与柱壳壁厚的比值相关,是一个涉及冲击波沿厚度传播及相互作用多物理破坏机制竞争的过程。     

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。     

三维打印GP1不锈钢动态剪切力学性能研究

采用三维打印设备制备GP1不锈钢扁平帽型剪切试样，利用分离式霍普金森压杆技术加载，结合数字图像相关法开展三维打印GP1不锈钢动态剪切力学性能研究。研究结果表明，动态剪切试验可以获得有效的材料高应变率动态剪切应力剪切应变曲线，三维打印GP1不锈钢剪切加载状态下，应力应变曲线具有一定的应变率效应，动态屈服强度与对数应变率成线性关系，应变率敏感因数为186。     

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-0.46μ_σ0.46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。     

TA2钛金属柱壳外爆绝热剪切碎裂及微观组织演化

柱壳外爆断裂存在多种断裂模式的竞争与耦合,其控制及影响因素一直是人们关注的。本文对绝热剪切敏感TA2工业纯钛柱壳在不同爆压下开展碎裂实验,通过对软回收碎片的宏观、微观分析,探讨金属柱壳爆炸膨胀断裂模式及机制,实验结果显示：（1）不同爆压下,TA2工业纯钛柱壳外爆碎裂虽然均为剪切断裂模式,但其断裂机理不同;在较低爆压作用下,发生微孔洞演化、连接的剪切断裂;而在较高爆压下,为多重绝热剪切控制的断裂机制。（2）在爆炸作用下,TA2钛柱壳高速变形、断裂过程发生α→β动态相变,随后在稀疏波作用下快速冷却,试样内表面组织转变为一定取向的板条马氏体,晶粒明显大于原始尺寸。因此,对于柱壳外爆碎裂特性及机理分析,须考虑材料在爆轰波作用下金属材料的动态相变的影响,研究为柱壳断裂存在多种断裂模式及碎裂分析提供了参考。     

轴向钢筋增强混凝土一维应力层裂实验研究

基于φ74 mmSHPB实验平台进行了混凝土及轴向钢筋增强混凝土（UDRC）杆的一维应力层裂实验,采用超高速相机拍摄实验中杆表面的实时变形情况,使用数字图像相关法（DIC）分析杆表面的位移场及应变场演化过程,探讨混凝土及增强混凝土在应力波加载过程中发生拉伸断裂（层裂）的规律,并进一步结合有限元分析了钢筋在层裂过程中的作用。结果表明:UDRC杆中应力波的传播满足一维应力假设;钢筋对UDRC发生拉伸层裂的影响可以忽略,而在混凝土基体断裂后将使结构保持完整;断裂试件中的裂纹在拉压应力波交替作用下反复张开闭合,随着应力波在杆中的衰减而趋于稳定;UDRC与混凝土的层裂强度基本相同,且具有相似的应变率增强效应;在实验加载范围内,光圆钢筋和螺纹钢筋的结构增强效果没有区别。