基于材料静动态力学性能分析的SiCp/Al本构模型构建

基于SiCp/Al复合材料的静态和动态力学性能分析,构建SiCp/Al复合材料的本构模型。针对体积分数为20%的SiCp/2a14Al复合材料采用电子万能试验机进行准静态拉伸试验,研究材料的静态力学性能;采用霍普金森压杆试验进行不同温度(20～400℃)、不同应变率(500～3 000 s^-1)动态压缩试验,分析材料的动态力学性能。基于材料静态及动态下应力-应变试验数据构建SiCp/Al复合材料的Johnson-Cook(JC)本构模型,并通过遗传算法对模型进行优化。结果表明,SiCp/Al复合材料在准静态条件下表现出应变强化效应;在动态载荷条件下,材料流动应力随着应变速率的增加而增加,表现出应变率强化效应,这与碳化硅颗粒的体积分数有关;随着温度的增加,流动应力减小,表现为温度软化效应。最小二乘法拟合的JC模型与试验值的平均误差较大,经过遗传算法优化后模型误差减小,能够准确预测SiCp/2a14Al复合材料的流变行为。     

乙烯基酯树脂浇铸体的高应变率压缩响应行为

利用电子万能试验机和分离式Hopkinson 压杆研究了乙烯基酯树脂浇铸体在准静态和高应变率下的压缩特性, 考察了试样压缩失稳和破坏的形貌。结果表明: 在准静态加载下(应变率为3.3 ×10 -4 / s～6.6 ×10-3 / s) ,材料呈韧性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高而提高, 失稳应变随应变率的提高而降低; 在高应变率下(应变率为950/ s～5800/ s) , 材料呈脆性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高呈增加趋势, 而失稳应变也随应变率的提高而提高, 这与准静态不同, 表明在高应变率下, 材料发生了“强迫高弹形变”。观察试样失稳和破坏后的形貌可以发现, 试样的破坏在失稳前正应力起主导作用, 失稳后切应力起主导作用, 使试样产生裂纹进而造成宏观破坏; 乙烯基酯树脂内部损伤的演化, 也依赖于应变和应变率。      

航空Al7050合金的静动态力学特性研究及JC本构模型构建

为了研究航空Al7050合金材料的静、动态力学特性,采用DNS100型电子万能试验机对航空Al7050合金进行了准静态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了室温准静态下的流动应力-应变曲线,然后采用带有同步组装系统的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对航空Al7050合金进行了不同温度、不同应变率下的动态压缩试验,并依据处理后的试验数据获得了不同温度、不同应变率下的流动应力-应变曲线,最后依据两次试验数据并采用最小二乘法构建了试验条件下的JC本构模型.结果表明:材料的流动应力随应变率的增加整体呈现增加的趋势,但温度高于400℃时,材料的流动应力随应变率的增加而减小;随应变的增加,流动应力表现出先呈线性增加,再缓慢增加,最后急剧下降的趋势;材料的流动应力和应变硬化指数随温度的升高而下降,且构建的JC本构模型能较好地预测塑性流动应力.     

平纹机织玻璃纤维增强复合材料面内压缩力学行为及破坏机制

为了研究平纹机织玻璃纤维复合材料SW200/LWR-2 的面内压缩力学性能并建立其本构模型, 对其进行了应变率为0. 001 s-1 、0. 1 s-1 、500 s-1 , 温度从- 55 ℃到100 ℃范围内的面内压缩实验研究。动态压缩实验在SHPB 装置上进行, 通过波形整形器实现了恒定应变率加载, 且经过验证试样两端应力平衡。实验结果表明, SW200/ LWR-2 复合材料性能具有明显的应变率敏感性及温度敏感性, 其强度随着应变率的升高而增大, 随着温度的升高而减小。对破坏后试样进行宏观及微观观察发现, 准静态加载时试样为剪切破坏, 伴随大量纤维束内脱粘和纤维拔出; 动态加载时试样为剪切破坏与分层破坏并存, 并出现大量碎屑, 纤维束为整束剪断, 束内脱粘受到抑制。根据损伤力学理论, 建立了SW200/ LWR-2 复合材料应变率及温度相关面内压缩损伤统计本构模型, 本构模型结果与实验结果吻合较好。      

基于损伤模型的2024-O-T42搭接件动态拉伸失效分析

针对高锁螺栓单搭接件所采用的2024-O-T42铝合金,设计狗骨试验件进行准静态与动态拉伸试验,设计六种不同的缺口试验件进行准静态拉伸试验。通过开展拉伸失效仿真,对比Hartley-Srinivasan与Johnson-Cook两种本构模型,以及最大塑性应变失效准则、Johnson-Cook失效模型与GISSMO损伤模型三种失效模型。结果表明,在试验的100 s^-1应变率范围内,2024-O-T42铝合金材料流动应力应变率效应不明显,其最大相差约为5%;在不考虑应变率及温度的情况下,Hartley-Srinivasan本构模型比Johnson-Cook本构模型更能准确表征材料塑性段的力学行为;采用Hartley-Srinivasan本构模型和GISSMO损伤模型,高锁螺栓单搭接件在1 m/s、3 m/s、5 m/s拉伸速度下的仿真结果与试验结果吻合更好,且仿真获得的失效位移相对试验失效位移平均值分别偏大4.7%、偏大4.3%和偏小7.4%。     

纯钛高应变率拉伸力学行为的实验研究

利用MTS809材料试验机和旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸实验装置,对多晶纯钛进行了室温环境下应变率为0.001,0.01s-1的准静态和300,1400s-1的动态拉伸实验,获得了纯钛等温和绝热拉伸应力-应变曲线;实施了应变率为300s-1的冲击拉伸复元实验,获得了纯钛在高应变率下的等温应力-应变曲线。结果表明:纯钛的拉伸力学行为具有明显的应变硬化效应、应变率强化效应和绝热温升软化效应。采用修正的KHL模型较好地表征了纯钛在准静态和动态实验应变率范围内的拉伸力学行为。     

多功能布的动静态力学性能及本构关系的研究

针对多功能布的物理特性展开了MTS实验和SHPB实验,获得了材料的基本力学参数和应力-应变曲线,并对材料的变形行为、应变率相关效应和破坏特性作了分析,在此基础上给出了材料的动静态本构关系。结果表明,多功能布材料在准静态加载下和冲击载荷作用下,随着应变率的提高,应力-应变曲线斜率增加,应变率效应比较明显。     

应变率和温度对耐碱玻璃纤维织物增强水泥基复合材料弯曲力学行为的影响

为研究不同应变率和温度下耐碱玻璃织物增强水泥基复合材料的弯曲力学行为,采用美特斯(MTS)万能试验机和INSTRON落锤冲击系统对其试样分别进行室温(25℃)下准静态三点弯曲(应变率为3.33×10-5 s-1)和不同应变率(4、8、12、16和18s-1)及温度(-50、0、25、50和100℃)下的动态三点弯曲试验,静态和动态三点弯曲试验采用一套弯曲夹具。同时考虑了增强织物层数对其弯曲力学性能的影响。试验结果表明:室温下,随应变率的增加,弯曲强度提高,弯曲峰值应变和韧性先减小后增大,弯曲模量先增大后减小;应变率为12s-1时,随着温度的升高,弯曲强度、弯曲模量和韧性整体上减小,弯曲峰值应变变化不明显;纤维织物为六层时,对混凝土的增韧效果较明显。应变率、温度和织物层数均能对试样的弯曲性能产生较大影响。     

温度和应变率对原位合成钛基复合材料动态压缩性能及破坏机制的影响

使用分离式Hopkinson压杆（SHPB）系统,在温度293~973 K、应变率6 000~10 000 s-1下,对原位合成TiC颗粒和TiB晶须混合增强钛基复合材料（TMCs）的动态压缩性能进行了研究。试验结果表明:在373~573 K、673~773 K和873~973 K范围内TMCs流变应力随温度的增加而显著减小;在较低温度（低于373 K）和较低应变率（6 000~8 000 s-1）下,TMCs呈现小幅的应变率硬化特征,而在较高温度（573 K及以上）时各应变率下TMCs均存在应变率软化特征,且温度越高材料应变率软化效应越明显。材料失效/断裂机制分析表明:应变率软化机制主要是绝热软化及其产生的绝热剪切带（ABS）中微裂纹的形成和扩展的综合作用;在较高的应变率和较大应变下ABS中会产生微裂纹,温度较低时TMCs塑性不足以抑制或阻碍微裂纹的扩展,从而导致TMCs在宏观上迅速破坏;材料破坏时以钛合金基体塑性断裂为主,但在局部伴随部分增强相脆性断裂。      

一种弹芯用聚碳酸酯的动态力学性能研究及本构关系

为了研究一种弹芯用聚碳酸酯材料在冲击作用下的动态力学响应,利用材料试验机和SHPB装置对该材料在不同应变率条件下动静态压缩性能进行测试分析,获得了该聚碳酸酯材料不同应变率下的应力应变曲线,试验结果表明:聚碳酸酯材料的压缩过程呈现明显的黏弹性现象,其动静态屈服强度和模量随着应变率的增加而变大,塑性阶段表现为应变软化与应变硬化相互作用的结果,且不同应变率下塑性阶段的应力应变曲线切向模量近似相等;基于试验结果建立了描述聚碳酸酯材料大变形力学行为的黏弹塑性本构模型,并得到了该材料的本构方程。对比分析显示,该模型可以较准确地描述聚碳酸酯材料动静态压缩行为。     

变形温度与应变速率耦合作用对TWIP效应Ti-15Mo合金力学性能的影响EI北大核心CSCD

变形温度和应变速率均影响β型钛合金的力学性能,且其影响均关联塑性变形过程中变形方式的变化。利用TEM,EBSD,SEM,XRD,OM和拉伸试验机研究变形温度和应变速率耦合作用对{332}〈113〉孪生诱发塑性效应Ti-15Mo合金力学性能的影响。结果表明:在298 K和573 K下,屈服强度均随应变速率的增加逐渐升高,即依赖于位错热激活过程,且573 K下显著的位错热激活作用使得屈服强度表现出更大的应变速率依赖性。不同于298 K下,Ti-15Mo合金在573 K下通过{332}〈113〉孪生和位错滑移耦合变形;构建的流变应力模型表明位错强化成为其主要强化方式。高应变速率下,塑性变形早期形成的更多孪晶虽然会抑制孪生的进一步产生降低加工硬化率,但同时有效降低位错不均匀分布引起的局部应力集中延缓颈缩的发生;两个方面的共同作用使得Ti-15Mo合金在变形温度和应变速率耦合作用下呈现出更小的应变速率依赖性。     

Constitutive modeling for the hot deformation behavior of Mg–3.06Zn–0.58Zr–1.07Y alloy

In order to improve the understanding flow behaviors of hot compressive deformation as‐homogenized of Mg–3.06Zn–0.58Zr–1.07Y alloy, carried out a series of isothermal compressive tests with 60% height reduction of specimens were performed at constant temperature of 523 K, 573 K, 623 K, 673 K, and 723 K, and strain rates of 0.001, 0.01, 0.1, and 1 s^?1 on Gleeble‐1500 thermo‐mechanical simulator. The results of the true stress–strain curves show that the flow stress increases with the increasing strain rate and decreasing deformation temperature. The flow behavior at constant strain rate was characterized by the dynamic recrystallization and dynamic recovery softening mechanisms occur simultaneously. The number of the dynamic recrystallization curve increases with increasing strain rate. A nonlinear flow model and its constitutive equation, based on the Arrhenius‐type equation, were employed for studying the deformation behavior and relationships between the deformation temperature, strain rate, and flow stress. Finally, the processing map of Mg–3.06Zn–0.58Zr–1.07Y alloy at the strain of 0.3 was obtained through the dynamic materials modeling. The optimal processing temperature and strain rate, using the microstructure and constitutive modeling, were found to be in the rage 623–723 K and 0.1–1 s^?1, respectively.     

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.     

Numerical implementation of strain rate dependent thermo viscoelastic constitutive relation to simulate the mechanical behavior of PMMA

In this work, a nonlinear viscoelastic constitutive relation was implemented to describe the mechanical behavior of a transparent thermoplastic polymer polymethyl methacrylate (PMMA). The quasi-static and dynamic response of the polymer was studied under different temperatures and strain rates. The effect of temperature was incorporated in elastic and relaxation constants of the constitutive equation. The incremental form of constitutive model was developed by using Poila–Kirchhoff stress and Green strain tensors theory. The model was implemented numerically by establishing a user defined material subroutine in explicit finite element (FE) solver LS-DYNA. Finite element models for uniaxial quasi-static compressive test and high strain rate split Hopkinson pressure bar compression test were built to verify the accuracy of material subroutine. Numerical results were validated with experimental stress strain curves and the results showed that the model successfully predicted the mechanical behavior of PMMA at different temperatures for low and high strain rates. The material model was further engaged to ascertain the dynamic behavior of PMMA based aircraft windshield structure against bird impact. A good agreement between experimental and FE results showed that the suggested model can successfully be employed to assess the mechanical response of polymeric structures at different temperature and loading rates.     

X70管线钢的室温蠕变及其对流变应力的影响

利用MTS万能试验机研究了X70管线钢在不同应力加载速率和不同加载过程下的室温蠕变现象,以及室温蠕变对流变应力的影响.结果表明,X70管线钢有明显的室温蠕变现象存在,应力加载速率和加载过程对室温蠕变变形量有明显的影响,而且室温蠕变显著提高了材料的流变应力.并根据位错理论对实验结果进行了分析解释.     

漂珠/AZ91D镁合金复合材料的高温压缩变形行为

采用搅拌铸造法制备了漂珠(FAC)/AZ91D镁合金复合材料。研究了该复合材料的高温压缩变形行为,分析了压缩变形温度和应变率对FAC/AZ91D镁合金复合材料压缩变形行为的影响规律,并计算了其热变形激活能。结果表明:FAC/AZ91D镁合金复合材料的高温压缩真应力-真应变曲线分为4个阶段:弹性变形、加工硬化、峰值应力和稳态流变阶段。相同应变率下,FAC/AZ91D镁合金复合材料的峰值应力和稳态流变应力随压缩变形温度的升高而降低;相同压缩变形温度下,流变应力随应变率增大而升高。在相同应变率或相同压缩变形温度下,FAC/AZ91D镁合金复合材料的热变形激活能随压缩应变率或压缩变形温度的升高而增大,其热压缩行为可以用双曲正弦函数形式的Arrhenius关系来描述。压缩变形温度与应变率对FAC/AZ91D镁合金复合材料的高温压缩组织均有重要影响。提高压缩变形温度或增大应变率,均可加速动态再结晶的进程。     

分子动力学模拟金属玻璃Cu应力晶化的应变率效应

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了零温下非晶金属Cu在不同应变率条件下的拉伸变形过程和应力晶化行为，分析了此过程中原子体系应力与结构组态的变化．结果表明：在应变率10^8s^-1-10^9s^-1范围内，金属玻璃Cu的塑性流动应力随着应变率的提高而增大，弹性模量约为55GPa．在塑性流动过程中发生应力晶化现象，伴随着明显的晶核形成与生长过程，晶化程度随着应变率的增加而加剧．应力效应和温度效应都是导致金属玻璃晶化的重要途径，形成的少量纳米晶粒是导致剪切带的形成和扩展的可能因素．     

第三种应变时效与机械波谱关联性探讨

为理解和揭示第三种应变时效现象,对DH36钢在拉、压加载,温度从77 K到1 000 K,应变率从0.001/s到3000/s下的塑性流动行为进行了系统研究,分析了时效发生的规律、特性以及时效发生的温度、应变率和应变的关系.同时,基于间隙原子与位错相互作用的本质,探讨了第三种应变时效现象与滞弹性材料机械波谱(即内耗峰)关联性.研究表明:金属在第三种应变时效温度区经变形后,材料的强度会提高,且材料的韧性(即断裂应变)并不变化;第三种应变时效的发生需要一定的预变形以造成大量空位,这将有益于间隙原子在位错周围的扩散形成,当温度和变形率达到某一匹配值时,在后续连续的塑性变形过程中,围绕位错的间隙原子气团连续对位错拖曳使得位错滑移阻力增加,导致第三种应变时效发生;DH36钢应变时效发生时的峰值应力温度与应变率呈现指数关系;第三种应变时效发生的温度区与金属机械波谱(内耗峰)温度区基本一致,都具有波动性,所以本质上第三种应变时效是机械波谱的另一表现形式.     

GWN751K镁合金热压缩实验研究

在Gleeble-1500D热模拟机上进行了单向热压缩试验,研究了GWN751K镁合金在变形温度为623-773K,应变速率为0.002-2s-1条件下热变形行为,变形量为60%.结果表明,在相同变形温度条件下,流变应力随变形速率的增加而上升,在相同的应变速率条件下,流变应力随着变形温度的升高而下降,计算出其平均激活能Q为228.61kJ/mol,应力指数n为4.2.根据材料动态模型,计算并分析了GWN751K合金的热加工图,并确定了合适的挤压加工条件为723K,0.01/s.通过对合金的挤压试验研究,验证了加工条件,挤压后的合金断裂强度为320MPa,延伸率为18%,较铸态合金有显著提高.