钢中绝热剪切带的动态损伤演化

采用大能量高速材料试验机冲击帽形试样的实验方法,研究了高速冲击条件下钢中绝热剪切带的损伤演化机制。试验结果表明,绝热剪切带的形成并不意味着剪切断裂的发生和宏观裂纹的形成。导致剪切带损伤的微观方式主要包括:基体接触区界面上的微裂纹、带内平直微裂纹、剪切带内与带成一定角度的微裂纹和孔洞。在这些微损伤方式的形核、长大过程中,绝热剪切带逐步损伤,宏观裂纹逐步形成。     

超高强度延性Fe-B-Si-Nb玻璃态合金

<正>日本技术人员对Fe-B-Si-Nb玻璃态合金的非晶形成能力和力学性能进行了研究。他们成功制备了2 mm直径的圆柱状Fe62B20Si14Nb4非晶合金材料,其弹性模量、压缩断裂强度和延伸率分别为200 GPa、4 200 MPa和1.9。沿剪切面可以观察到许多剪切带,剪切面与加载方向的夹角大约40°,断裂沿剪切面发生。在高分辨率的TEM图象中可以看见局部有序区。材料的高力学性能可归因于局部有序区对剪切带扩散的抑制作用。     

高速冲击载荷下钨骨架/Zr基非晶合金复合材料的变形特征

利用自制高速冲击加载试验装置研究了钨骨架／Zr基非晶合金复合材料的室温变形特征。该复合材料在高速冲击载荷作用下的变形特征主要包括钨骨架碎化、Zr基非晶合金软化且沿钨骨架变形的方向发生流动。在剪切断裂面上不同变形带之间有明显的交界线,这些交界线形成剪切带和裂纹。     

绝热剪切带内微孔洞演化规律研究

为深入了解绝热剪切带内微孔洞的演化规律,进而揭示高应变率加载条件下绝热剪切破坏的特殊规律,本文对D35钢进行了约束爆破实验,爆破后回收圆筒的微观观察表明,绝热剪切破坏要经过绝热剪切带内微孔洞形核、长大和相互联接形成裂纹等一系列演化过程.在Guduru P等人的测试结果和Li Shaofan等人数值仿真结果基础上,通过简化(剪切带内的温度分布为由剪切带中心向边缘线性降低,并最终降至与基体温度相同; 微孔洞的形核、长大受温度控制,长大速度随温度呈指数规律降低)对Timothy S P和Hutchings I M的模型进行了修正,修正后的模型可以定量的描述绝热剪切带内微孔洞的演化直至破坏的全过程,模型的描述与微观分析获得的实验结果有较好的一致性.     

高应变率下工业纯钛TA2变形与失效研究

利用Hopkinson杆,采用动态压缩实验研究帽形样品的工业纯钛在高应变率(10~3 s~(-1))下的变形与失效机制。从时间-剪应力曲线分析材料的剪切变化规律。结果表明:轧制变形后的试样,它的绝热剪切敏感性明显变强;而在轧制变形量相同的情况下,从材料厚度方向上取的试样,其绝热剪切敏感性比其它方向强。通过光学显微镜、扫描电镜和透射电镜分析其显微组织的变化规律。结果表明:试样的受剪部位均可观察到明显的绝热剪切带。绝热剪切带是材料宏观失效的先兆,带内晶粒细小,为等轴晶,发生了再结晶,带中的微裂纹、微空洞的形成最终导致材料失效。     

钨骨架/Zr基非晶复合材料准静态断裂特征研究

研究了用渗流铸造法制备的钨骨架/Zr基非晶复合材料在1.4×10-2s-1应变率条件下的力学性能与变形断裂特征。试验发现钨骨架/Zr基非晶复合材料在准静态压缩条件下具有很高的压缩强度(3300～3500MPa)和良好的塑性变形能力(50%～60%)。利用SEM研究压缩后试样的微观组织形貌,发现钨骨架与非晶相的相互嵌套改变了非晶和钨骨架二者各自的变形机理与断裂模式。非晶相阻碍了钨骨架中裂纹的扩展,钨骨架抑制了非晶相中大面积流变的发生。复合材料的断裂表现为一种混合断裂模式,其中非晶相的断裂为局部软化后的撕裂。     

SiC/Zr基非晶复合材料的动态断裂特性研究

利用Hopkinson压杆冲击加载装置和扫描电子显微镜(SEM),对SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料圆柱形试样进行了相关的应力-应变响应和动态断裂特征及断口形貌的研究。结果表明:SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料的动态压缩强度随冲击压力的增大而递增,当冲击压力为0.6 MPa时,复合材料的动态压缩强度为855 MPa;断裂表面呈现典型的结晶状断口,断裂模式为脆性断裂和劈裂混合破坏模式;非晶基体在动态压缩条件下出现了显著的热软化和熔化特征。     

低温下叠氮聚醚推进剂冲击损伤特性与动态力学性能

利用仪器化落锤冲击试验机在-40℃下对叠氮聚醚推进剂进行了冲击加载模拟实验,通过X射线微层析成像技术(X-μCT)表征了推进剂的冲击损伤特性,并采用动态力学分析研究了叠氮聚醚推进剂在不同加载频率下的动态力学性能。结果表明,叠氮聚醚推进剂动态力学参数表现出显著的加载频率依赖性,当加载频率由1 Hz增大至20 Hz时,其玻璃化转变温度由-38.1℃升高至-23.1℃;相应测试条件下,推进剂试样在冲击加载能量不低于2 J时发生断裂,未冲断推进剂无宏观裂纹产生,但其内高氯酸铵(AP)颗粒已部分破碎;被冲断试样冲击曲线中包含不稳定裂纹扩展过程,表明叠氮聚醚推进剂在低温下具有一定的脆性材料特征,推测其损伤模式为含缺陷的AP颗粒首先发生穿晶断裂,初始微裂纹扩展于基体中并相互贯通扩大,最终导致试样断裂。     

硅锰装甲钢破甲弹坑损伤与微观结构关系的研究

利用ＳＥＭ和光学金相研究了４３лＣＭ钢破甲弹坑内损伤与材料微观结构之间的关系。认为，损伤主要发生在：（１）绝热剪切带上，损伤的形式多为孔洞和微裂纹，孔洞的分布和形貌表明，它是在绝热剪切的“高温”状态下，通过快速形核、长大而形成的；（２）靶板的轧制偏析带和夹杂物处，损伤的形式以微裂纹为主，这些微裂纹常通过剪切带聚合成梯形波裂纹。     

Zr基非晶合金/W丝复合材料动态断裂模式研究

利用Hopkinson压杆装置(SHPB)和SEM等研究室温下经过不同工艺处理的Zr基非晶合金/W丝复合材料的动态力学性能及断裂模式。结果表明,由工艺4制备的复合材料具有最好的动态压缩性能,在0.8MPa打击压力下,其动态抗压强度达到3965MPa。该复合材料动态压缩断裂模式为混合断裂模式,包括剪切断裂和纵向开裂,W丝呈现劈裂和屈曲特征。     

改性双基推进剂的动态断裂实验研究

为研究改性双基推进剂的动态断裂特性,利用直裂缝平台巴西圆盘试件,运用分离式霍普金森压杆系统对推进剂材料进行冲击实验研究。基于一维应力波理论,通过压杆上应变片测定的信号确定试件所受冲击载荷随时间的变化。采用在试件上贴应变片的方法,用记录的最大信号值确定材料的起裂时刻。在验证实验数据有效性的前提下,获得了此种推进剂材料在不同速率下的起裂韧度。结果表明:动态条件下采用应变片测定推进剂材料起裂时刻的方法是可行和有效的;改性双基推进剂材料起裂韧性具有明显的加载率敏感性,起裂韧性随加载率呈线性增长关系。     

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。     

钨丝增强锆基非晶合金复合材料动态变形特征研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对体积分数为60%和80%的钨丝增强锆基非晶合金复合材料进行了动态压缩实验,采用 X 射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了复合材料的原始组织以及动态变形特征和断口形貌。结果表明:在动态压缩载荷作用下,W 丝/Zr 基非晶复合材料没有明显的屈服现象即发生断裂;试样的动态压缩强度随着钨丝体积分数的增加而增加,体现了钨丝增强体对复合材料显著的强化作用;试样发生剪切断裂和纵向劈裂,在变形过程中钨丝发生劈裂并有屈曲失稳和翘起,非晶基体表现为软化后的脉状花样和脊状形貌,钨丝体积分数的不同,复合材料呈现出不同的断口特征。     

中高应变率条件下TC18钛合金动态力学行为的实验研究

应变和应变率是影响材料力学行为的两个重要因素,分离式霍普金森压杆（SHPB）技术是实现不同应变和应变率加载的有效途径之一。为研究室温下TC18钛合金的塑性变形和破坏行为,采用SHPB,通过调节子弹长度和速度实现对TC18钛合金圆柱试样不同应变和应变率的加载。实验得到了TC18钛合金在不同应变率下的真应力-真应变曲线和同一应变率不同应变下的真应力-真 应变曲线,并分别分析了应变硬化和应变率强化效应对TC18钛合金的动态力学性能的影响。实验结果表明：TC18钛合金压缩试样破坏时断口与加载方向（轴线）之间的夹角约为45°,其压缩破坏形式为典型的剪切破坏,与应变和应变率相关;应变率越高,TC18钛合金的流动应力和屈服强度越高,故该材料具有明显的应变率强化效应;绝热剪切带是裂纹形成和试样发生宏观剪切破坏的先兆。     

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。     

微观组织对Ti6321钛合金靶板爆炸断裂失效的影响

通过不同热处理工艺获得不同组织的Ti6321钛合金靶板,研究微观组织对Ti6321钛合金靶板在爆炸加载过程中变形和断裂行为的影响。结合光学显微镜和扫描电子显微镜,对爆炸回收后的靶板进行微观断口和失效分析。结果表明：等轴组织靶板具有较高的抗变形能力,魏氏组织靶板具有较高的抗层裂破坏能力和较低的厚度减薄率,断裂模式包括塑性变形及中心颈缩环、沿颈缩环部分断裂、沿颈缩环全部断裂和中心完全撕裂;在200 g TNT爆炸加载下,双态组织靶板发生拉伸和剪切断裂;在300 g TNT爆炸加载下,等轴组织靶板发生拉伸、剪切断裂和层裂,双态组织靶板发生剪切断裂和层裂,断口均为韧性断裂;魏氏组织靶板在两种TNT药量加载下均产生剪切断裂,断口为韧性和脆性的混合型断裂,靶板的层裂和剪切断裂均为绝热剪切失效。     

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。     

AISI4340钢的绝热剪切与动态失效准则

绝热剪切是材料在高应变率加载下的一种典型破坏模式,绝热剪切带的激发和演化过程依赖一定的应变率应变等力学条件。通过对AISI4340钢的绝热剪切细观机理分析,提出了包含应变率效应的动态失效准则。针对ZRR问题分别应用静态和动态失效准则。计算结果表明:静态失效准则下材料的破坏模式以整体塑性变形为主;而动态失效准则下材料发生绝热剪切破坏,且表现出明显的剪切带高度局域化特征。     

THV基活性材料力学性能与点火反应特性

为研究铪/四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物(Hf/THV)活性材料的力学性能与点火反应特性,采用溶剂蒸发-热压烧结法制备不同配比的Hf/THV试件,并开展准静态压缩试验与基于分离式霍普金森压杆的动态加载试验。研究结果表明：Hf/THV在动态加载下发生瞬间断裂,导致断裂处温度急剧升高形成热点、引发点火反应;THV的应变软化影响Hf/THV的力学性能和失效模式,进而影响材料的点火反应;质量含量62%Hf的Hf/THV试件由于明显的应变软化而表现出较强的塑性变形能力,动态加载持续较长时间后才有极少部分发生断裂,导致反应延迟时间较长且非常微弱;质量含量88%Hf的Hf/THV试件强度较高且脆性较强,动态加载持续较短时间内便能发生大范围断裂,导致反应延迟时间短且比较剧烈,但氧化剂THV的减少导致反应不充分。