7075-T6铝合金动态力学试验及本构模型研究

分别采用电子万能试验机、高速液压伺服试验机和分离式霍普金森拉杆(SHTB)装置进行了7075-T6铝合金材料在室温下的准静态、中应变率和高应变率动态力学性能试验。获得了该材料不同应变率下的应力-应变曲线,结果显示:7075-T6铝合金具有明显的应变率强化效应;随着应变率的提高,试件断口处颈缩现象越发明显。拟合出了能够反映材料应变硬化效应、应变率强化效应的Johnson-Cook本构方程,对方程中的应变率强化项进行了修正,使拟合结果与试验结果吻合得更好。     

2219铝合金动态力学性能及其本构关系

针对2219铝合金在高温、高应变率加工条件下的变形特征以及流动应力变化规律,利用分离式Hopkinson压杆设备对该合金进行了室温以及高温动态压缩力学性能研究,并利用电子万能试验机对其进行准静态压缩力学性能测试,得到了2219铝合金在不同应变率和温度下的真实应力-应变曲线。结果表明:2219铝合金对温度有较高的敏感性,其流动应力随着温度的升高而降低;当应变率在1000~3000s-1范围内时,材料的流动应力变化并不明显;基于Johnson-Cook模型拟合出的模型参数,能较好地预测实验中材料的流动应力。     

铝合金7050-T7451高温高应变率本构方程及修正

通过分离式霍普金森压杆(SHPB)及准静态压缩实验研究铝合金7050-T7451高温高应变率下流变应力特征,利用准静态实验数据获得本构方程应变强化参数,利用SHPB实验数据获得室温下不同应变率(400～2500s-1)的应变率强化参数,以及应变率为2500s-1不同温度下(250～600℃)的热软化参数.利用不同幂次多项式对Johnson-Cook本构方程的热软化项拟合,最终选择五次多项式作为修正后本构方程热软化项.利用修正后本构方程对不同温度条件下应力应变曲线进行预测,实验数据与预测曲线表现出良好一致性.     

Fe-36Ni高温高应变率动态力学性能及其本构关系

为研究Fe-36Ni因瓦合金的动态力学性能及其本构关系,在20～800℃和10-3～104 s-1的应变率内,采用电子万能试验机和高温分离式霍普金森压杆分别对Fe-36Ni因瓦合金进行准静态实验和动态压缩实验,得到其高温、高应变率下的应力-应变曲线.结果表明,Fe-36Ni因瓦合金的流动应力表现出较强的应变率和温度敏感性,随着应变率的增大而增大,随着温度的升高而减小.采用改进应变率项和温度项的Johnson-Cook本构方程拟合了Fe-36Ni因瓦合金在高温、高应变率下的动态塑性本构关系,拟合结果与试验数据吻合很好.     

低应变率下聚乙烯醇缩丁醛的拉伸力学性能

通过27种工况下的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)低应变率直接拉伸试验,研究了低应变率下PVB拉伸力学性能,并考虑了厚度、应变率和温度对其的影响。试验结果表明,试件厚度和加载应变率对PVB的力学行为影响较小,温度对其力学行为影响较大,说明PVB是一种温度敏感材料。基于不同温度下得到的试验结果,拟合了PVB应力-应变关系。采用拉伸松弛试验得到的松弛模量,应用时-温等效原理和弹性回复对应原理,建立了考虑松弛效应的PVB拉伸本构关系。     

ZL205A铝合金动态力学性能及其本构模型

目的 研究ZL205A铝合金在不同温度和不同应变速率下的流动应力行为,为材料数值模拟提供参数依据。方法 利用高低温电子万能材料实验机和霍普金森压杆设备,在不同变形温度(20~400 ℃)和应变速率(10⁻⁴~2 200 s⁻¹)下进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验以及高应变率动态压缩实验。对实验所得真应力-应变曲线进行力学性能分析,考虑到霍普金森实验下的材料绝热温升,构建了ZL205A铝合金的Johnson-Cook本构模型,并将该模型与实验数据进行比对验证。结果 在室温低应变率(20 ℃、10⁻⁴~10⁻¹ s⁻¹)条件下,随应变率的增大,材料的流动应力变化不明显;当材料屈服后,随着应变的增大,材料流动应力增大的趋势变大,应变硬化作用占主导。在室温高应变率(20 ℃、500~2 200 s⁻¹)条件下,材料的屈服强度和流动应力与室温低应变率时的数据变化不大,考虑到高应变率下的实验时间短、变形大,材料变形产生的热量来不及散出,受温度升高的影响,材料在高应变率范围内的应变率强化效应不明显。在高温低应变率(100~400 ℃/0.001 s⁻¹)条件下,材料的屈服强度和流动应力随温度的升高而迅速降低,表现出较高的温度敏感性,当温度高于200 ℃时,材料产生拉应力回调现象。结论 根据材料真应力-应变曲线,获得了材料的Johnson-Cook本构参数,该模型能较准确地预测材料在不同状态下的流动应力行为。     

高应变率下岩石本构特性的研究

高应变率下岩石的动态本构关系和力学特性,目前主要是利用SHPB装置等来获得．基于统计学和损伤力学的观点,建立岩石在高应变率下的动态本构模型是进一步研究爆破机理、爆炸应力波传播、爆破参数优化的基础。理论和实验证明,本文推荐的4种动态本构模型与试验结果有较好的一致性,对进一步研究岩石的动态力学性质奠定了基础．     

汽车用2024-T351铝合金的动态力学行为各向异性

采用拉伸机、扫描电子显微镜(SEM)及光学显微镜(OM)等研究了汽车用2024-T351铝合金的动态力学行为各向异性与微观组织演变。结果表明,2024-T351铝合金表现出明显的各向异性且应变率对力学性能与微观组织有一定的影响。相同应变率下,0°方向上的应力最大,45°方向上的应力最小。在0°方向上,合金的抗拉强度随应变率的增加变化相对较小,而屈服强度、延伸率和断面收缩率呈现先增加后保持不变最后持续增加的趋势;在45°和90°方向上,合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率与断面收缩率均随着应变率的提高呈现先增加后保持不变最后持续增加的趋势;90°方向相比于其他两个方向有着更强的应变率敏感性。拟合得到三个方向上的Johnson-Cook本构方程,其可以很好地预测2024-T351铝合金在各个方向上的动态力学行为。所有试样断口表面均有大小不一的韧窝,且应变率越高形成的韧窝就会越大且越深。断后晶粒尺寸与方向和应变率基本无关,但晶粒纵横比受方向和应变率的影响较大。     

高抗冲聚苯乙烯的应变率敏感性及粘塑性本构关系

对高抗冲聚苯乙烯（HIPS）在应变跨越10^-4-10^1量级的范围内的拉伸力学性能作了实验研究,实验结果显示HPIS是一种应变率敏感的材料,其拉伸力学性能对应率敏感程度可分为高中低三个区域,在此基础上讨论了这类材料的粘塑性本构关系。     

铝合金LC4和LY24CZ在高应变率拉伸和压缩下的本构关系

对国产沉淀硬化铝合金（ＬＣ４和ＬＹ１２ＣＺ）进行静态和动态的拉伸与压缩试验研究。应变率范围为１０＾－４ｌ／ｓ－１０＾３ｌ／ｓ。结果表明，ＬＣ４和ＬＹ１２ＣＺ都是应变率不敏感材料，它们对变率的不敏感性可以用率相关位错理论来解释。试验还发现压缩应力－应变曲线高于拉伸应力－应变曲线，并用细观损伤的观点进行了初步探讨。     

高温下地聚合物混凝土损伤演化及动态本构模型研究

采用高温SHPB试验系统对高温下地质聚合物混凝土(Geopolymeric Concrete, GC)损伤演化规律及本构模型进行试验研究。结果表明,高温下GC主要力学性能指标呈显著的应变率强化效应及温度弱化效应;利用波阻抗衡量GC的高温损伤可行、有效,所得损伤演化规律能较好表征GC损伤实际情况;以静力本构模型为基础,通过引入应变率强化因子及温度弱化因子构建GC动态损伤本构模型,通过试验结果标定参数,可获得较准确的地质聚合物混凝土动态损伤本构模型。     

Multiple fatigue crack growth in pre-corroded 2024-T3 aluminum

Previous studies of fatigue crack growth in corroded aluminum have revealed that multiple crack-nucleating corrosion features often lead to the failure of individual test specimens. In the present work, this phenomenon was explored by performing quantitative fractography on forty 2024-T3 sheet aluminum fatigue specimens. Slightly over half of the specimens were found to have two or more crack-nucleating pits. The number of nucleating pits per specimen was found to be positively correlated with stress level, and an interactive effect with corrosion exposure duration was observed. A fracture mechanics-based model was developed to simulate the observed multiple crack growth process. Flaw interaction effects were investigated and the importance of modeling multiple crack growth at high stress levels was seen.     

基于新型自复位摩擦耗能支撑的RC框架结构地震残余变形控制

基于Cu-Al-Be合金丝,研制了一种新型自复位摩擦耗能支撑,通过试验研究了该支撑的滞回性能,并利用OpenSEES平台建立了分析模型,将其应用于RC框架结构的地震残余变形控制。结果表明:摩擦力越大,该支撑耗能性能越好,但相应会增大残余位移;利用OpenSEES分析模型计算的滞回曲线与试验曲线吻合较好,表明所建立的分析模型具有良好的计算精度;在RC框架结构地震残余位移较大处布置该支撑,能够经济有效地控制结构整体的残余位移。     

定量研究2024-T351铝合金搅拌摩擦焊过程中的时效相行为

采用差示扫描量热法研究了2024-T351铝合金搅拌摩擦焊接过程中时效相回溶或粗化的相对值,给出了一种定量研究搅拌摩擦焊接过程中时效相行为的方法.结果表明:相对于母材,焊缝不同区域时效相的回溶或粗化值可通过公式f=Sx/SBM-1来计算;当搅拌摩擦焊搅拌头转速为700r·min-1,焊接速度为200mm·min-1时,...     

Study of microstructural and mechanical properties of weld heat affected zones of 2024-T3 aluminium using Gleeble simulation

Abstract

The effect of the microstructural properties on the mechanical properties of welding thermal cycles and post-weld heat treatment of the heat affected zone (HAZ) in 2024-T3 aluminium alloy has been investigated. Gleeble HAZ simulation, differential scanning calorimetry, TEM and tensile test have been utilised to investigate the regions representative of HAZ microstructures. The decay of strength in the weld HAZ is primarily due to the precipitation and coarsening of stable S phases. The welded HAZ in the region at peak temperature of 414°C has the lowest strength after natural aged temper. Post-weld T81 artificial aging (PWAA-T81) heat treatment at 190°C for 12 h has no effect on improving the HAZ strength; the HAZ strength of 2024-T3 alloy obtained by PWAA-T81 treatment is less than that obtained by natural aging, and its lowest strength is shifted to the region of the peak temperature, which is 452°C. Scanning electron microscopy observation reveals that the fracture mode changes from transgranular to intergranular failure when the 2024 specimen is exposed to a thermal cycle up to a peak temperature of 550°C. This is caused by the liquation of grain boundary segregates or formation of a eutectic structure while the specimen is subjected to high temperature thermal cycles during welding, which results in a decrease in the strength and ductility of the grain boundary. It is also shown that the decrease in ductility in this high temperature HAZ cannot be improved using the PWAA-T81 heat treatment.     

Experimental investigation and numerical prediction of fatigue crack growth of 2024-T4 aluminum alloy

Compact specimens were employed to study fatigue crack growth of 2024-T4 aluminum alloy under constant/variable amplitude loading. Apparent R-ratio effect under constant amplitude loading was identified with the nominal stress intensity factor range. Fatigue crack growth rates predicted by a unified model agreed with the experimental data well. Single tensile overload resulted in significant retardation of crack growth which was fully recovered after propagating out of overload-affected zone. Retarded crack growth induced by three-step sequence loading was heavily dependent on two sequence loading parameters. The influence of variable amplitude loading on crack growth was reasonably characterized by Wheeler’s model.     

X80管线钢的动态力学性能研究

为了研究高钢级管线钢X80的动态力学行为,利用分离式霍普金森压杆(简称SHPB)测量了X80钢在多种应变率(ε=500,1500,2500s-1)下的应变波形,用快速傅里叶变换对波形进行弥散修正,得到在不同应变率下的应力应变关系。基于实验获得的数据,对在有限元商业软件中广泛采用的Johnson-Cook动态强化模型进行拟合,得到X80钢在不同应变率下的Johnson-Cook本构模型的基本参数,计算结果与实验数据基本吻合。根据动态试验获得的数据而确定X80钢的动态本构关系,为研究X80钢高压埋地输气管道在各种冲击载荷作用下的动态响应提供了重要依据。     

循环压缩和冲击下聚氨酯发泡塑料的能量吸收

基于聚氨酯发泡塑料的准静态压缩和落锤冲击试验,分析其在中低应变率下的力学性能和能量吸收性能,得到了该材料的应力-应变曲线和能量吸收图,研究了不同应变率和循环静动态试验对该材料缓冲性能的影响。随着初始应变率由2.56×10-3s-1(准静态)增加至4.01×101s-1、5.08×101s-1和5.68×101s-1,材料的应力和能量吸收明显增大,应变为0.4时动态应力分别比静态应力增加了54.34%、79.35%和114.49%,所吸收的能量分别比静态增加了18.98%、30.09%和65.74%。对同一试样先后进行五次循环准静态压缩或落锤冲击试验,与首次试验相比第二、三、四、五次试验应力和能量吸收明显下降,应变为0.4时静态应力分别下降了18.48%、32.97%、36.59%和39.49%,动态应力分别下降了20.81%、28.48%、34.75%和34.75%,准静态压缩能量吸收分别下降了24.54%、37.50%、40.74%和43.52%,落锤冲击能量吸收分别下降了15.30%、24.20%、30.25%和30.96%。中低应变率下,聚氨酯发泡塑料的应变率效应十分明显,循环准静态压缩和落锤冲击效应同样十分明显。循环试验达到一定次数后,材料缓冲性能基本保持不变,可用此数据作为缓冲包装设计的依据。研究结果对于聚氨酯发泡塑料的合理缓冲包装设计有指导意义。     

三种建筑钢筋材料高应变率下拉伸力学性能研究

钢筋混凝土结构除承受静载荷外,在恐怖袭击、燃气管道爆炸等特殊情况下还会承受动态载荷的作用,因此,研究其组成材料之一的钢筋材料在动态载荷作用下的力学性能,对于研究钢筋混凝土结构整体在动态载荷作用下的力学响应有重要意义。该文首先利用旋转盘冲击拉伸试验系统对3种常用建筑钢筋材料(HPB235、HRB335和HRB400)在400 s^-1~2000 s^-1应变率范围内的动态拉伸力学性能进行试验研究,然后根据试验数据,分析应变率对屈服强度的影响规律,并对常用的Johnson-Cook本构模型进行修正,以获得可以更好描述这3种钢筋材料动态拉伸应力-应变关系的本构模型及相关的材料参数。研究结果表明:3种钢筋材料的屈服应力均随应变率的增大而增大,而静载屈服应力越低的钢筋对应变率越敏感;修正后的Johnson-Cook本构模型能较好地描述3种钢筋材料的动态拉伸应力-应变关系。     

一种基于Seth应变张量的超弹性模型

为精确表征橡胶类材料在大变形范围内的力学行为,基于Seth应变张量不变量提出了一种适用于橡胶类材料的不可压缩各向同性超弹性模型。为考察其预测能力,分别利用Treloar经典试验数据和某型炭黑填充橡胶试验数据对该模型、Yeoh模型和二阶多项式模型进行了参数识别。结果表明,在同时使用单轴拉伸和等双轴拉伸试验数据情况下,相较于其他两种常用模型,该模型能够更准确地拟合两种橡胶材料的试验数据,并较好地预测纯剪切(或平面拉伸)试验数据。最后,分别基于前述三种超弹性模型对橡胶衬套进行了静刚度仿真计算和试验验证。结果表明,基于所提出的超弹性模型得到的径向刚度和轴向刚度仿真误差分别为6.61%和9.72%,显著小于基于其他两种模型得到的仿真误差。因此,提出的模型在一定误差范围内能够有效适用于橡胶产品的性能分析。该模型仅含4个材料参数,对不同的橡胶材料有较好地适用性,具有良好的工程应用价值。