碳纤维/环氧树脂复合材料动态拉伸试验研究与损伤分析

利用MTS试验机和分离式Hopkinson拉杆对2种碳纤维/环氧树脂(T300/epoxy)层合板试件[(45/-45)₄]_S和[(0/45/90/-45)₂]_S进行了准静态(应变率10-5~10-4 s-1)、中速(应变率10-1~101 s-1)和高速(应变率102~104 s-1)冲击拉伸试验。在热力学框架内建立了基于损伤能释放率的弹塑性动力损伤本构模型,用该损伤模型来分析试件的动态拉伸失效过程。模型中提出了3种基本损伤机制(纤维断裂、基体开裂及面内剪切)的演化规律,通过对损伤阈值黏性归一化的方法考虑了应变率对损伤演化的影响。编写了该模型有限元用户材料子程序,并模拟了拉伸试验过程,计算结果表明该模型能够较好地模拟碳纤维/环氧树脂层合板动态拉伸失效过程。     

湿热环境下Carbon/Epoxy复合材料层合板动态压缩性能

随着纤维增强复合材料的广泛应用, 研究其在湿热环境下的动态力学性能具有重要的理论研究意义与工程应用价值。首先对碳纤维增强环氧树脂基(Carbon/Epoxy)复合材料层合板试件进行了湿热处理, 其后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术开展了干/湿态试件高应变率压缩实验并对实验结果进行分析。结果表明: 材料脱(吸)湿过程呈现出两段式特点, 存在二次脱(吸)水现象; Carbon/Epoxy复合材料层合板的强度在垂直铺层方向具有显著的应变率敏感性, 随着应变率从1 500 s-1增加至6 000 s-1, 其强度增加近3倍, 与此同时应变率对其弹性模量的影响却非常微弱; 此外, 湿热处理有助于提升该材料的动态力学性能, 经20 d吸湿后材料动态强度有最大12.45%的增幅, 吸湿使得材料动态强度的上升在应变率较低时比较明显。      

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。     

应变速率对AZ91D镁合金力学行为影响

本文通过静态拉伸试验机和高应变速率冲击拉伸试验装置,对AZ91D压铸镁合金分别进行了不同应变率下(10-4、10-2、300和1400s-1)拉伸力学性能的试验,获得了各应变速率下完整的应力-应变曲线.并通过扫描电镜对其拉伸断口进行分析.试验结果表明,其屈服应力(σs)、拉伸强度(σb)随着应变速率的增加而增加,失稳应变(εb)则随着应变速率的增加而有所减小;而弹性模量则对应变率不敏感.采用John-son-Cook材料模型描述AZ91D镁合金应变速率相关的应力应变本构模型,其拟合结果和实验结果基本相吻合.扫描电镜断口分析结果表明,动态和静态的断裂方式基本相同,都是以准解理断裂特征为主,局部区域伴有解理断裂;存在典型的缩松断裂形貌.     

二维C/SiC复合材料准静态和动态拉伸力学性能

采用分离式Hopkinson拉杆装置和电子万能试验机研究了二维C/SiC复合材料在4种应变率（0.001、0.010、90.000和350.000 s-1）下的拉伸力学性能,计算并验证了动态试验中的应力平衡状态;采用SEM分析了复合材料在不同应变率下的破坏断口和失效机制;建立了复合材料包含损伤和应变率相关的本构方程。结果表明:二维C/SiC复合材料的应力-应变曲线都表现出非线性的特征。随着应变率的增加,二维C/SiC复合材料的拉伸强度从204 MPa增加到270 MPa,增加了33%,这表明复合材料的拉伸强度具有较强的应变率敏感性。复合材料在准静态和动态加载下表现出不同的破坏模式是由材料内部界面行为的应变率效应造成的。      

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。     

单脉冲加载技术及其在钛合金拉伸行为研究中的应用

为精确评价钛合金热率相关的力学行为,利用冲击拉伸试验系统和基于单应力脉冲加载的冲击拉伸复元试验技术分别获得TC11钛合金在高应变率(102~103s-1)范围内的绝热应力-应变曲线和等温应力-应变曲线,实现拉伸响应的热力解耦;利用冲击拉伸加卸载试验技术实施变温度和变应变率测试,研究历史效应对于本构行为的影响。结果表明:TC11的初始屈服行为呈现温度软化和应变率强化特性,而等温塑性应变硬化行为表现出温度和应变率不敏感特征,瞬态绝热温升是导致材料动态应变硬化率降低的主要原因;高应变率加载时材料内的热功转换系数约为0.9,且其拉伸力学行为无明显的温度和应变率历史效应。实验结果为建立钛合金的本构模型奠定试验基础。     

TiC/CuAl2O3复合材料动态再结晶临界条件

为了确定TiC/Cu-Al₂O₃复合材料的动态再结晶行为,为热加工工艺参数的制定提供理论参考。采用Gleeble-1500D热模拟试验机,在变形温度450~850℃、应变速率0.001~1 s^-1、总应变量为0.7的条件下,对TiC/Cu-Al₂O₃复合材料进行热模拟试验。对TiC/Cu-Al₂O₃复合材料的真应力-应变曲线数据进行拟合、分析,求得材料的加工硬化率。结合加工硬化率-应变曲线的拐点和对应偏导曲线最小值的判据,研究了该复合材料动态再结晶临界条件。结果表明：TiC/Cu-Al₂O₃复合材料的真应力-应变曲线主要以动态再结晶软化机制为特征,峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增加;该材料的加工硬化率-应变曲线出现拐点,对应偏导曲线出现最小值;临界应变随变形温度的升高与应变速率的降低而减小,且临界应变与峰值应变以及Zener-Hollomon参数之间具有相关性。     

三维编织玄武岩/环氧树脂复合材料在温度场下的高应变率压缩试验

研究了三维编织玄武岩长丝纤维束增强环氧树脂复合材料在23、60、90、120、150、210℃温度场下和不同应变率范围(1 300~1 600、1 600~2 000、2 000~2 300s-1)内的面外/面内冲击压缩响应特征。结果表明:试验温度高于或低于树脂玻璃化温度决定面外/面内冲击压缩的应力-应变曲线走势特征,即使试验条件(温度和气压)一致,面外冲击压缩与面内冲击压缩应力-应变曲线也存在较大差异。温度和应变率对压缩模量、峰值应力、破坏应变、比能量吸收均有不同程度影响。面外和面内压缩的破坏模式存在较大差异,受温度效应和应变率效应影响。     

聚碳酸酯拉伸力学性能的应变率相关性实验

在MTS809材料试验机和自行研制的旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机上,对聚碳酸酯板材进行了准静态0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1和高应变率400s-1、800s-1、1700s-1加载条件下的单向拉伸试验,得到了不同应变率下聚碳酸酯板材的拉伸工程应力-工程应变曲线。试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学行为呈现明显的非线性变形特征;在文中实施的0.001s-1～1700s-1应变率加载范围内,聚碳酸酯拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和与屈服应力相对应的失稳应变均随应变率的增加有显著的增大。     

Investigating the transverse behavior of Glass–Epoxy composites under intermediate strain rates

In this study, the strain rate effects on transverse tensile and compressive properties of unidirectional Glass fiber reinforced polymeric composites are investigated. To demonstrate strain rate effects, the tensile and compressive composite specimens with identical configuration are fabricated and tested to failure in the transverse direction at quasi-static strain rate of approximately 0.001 s⁻¹ and intermediate strain rates of 1–100 s⁻¹. The tensile and compressive tests are performed using a servo-hydraulic testing apparatus equipped with strain rate increasing mechanisms. For performing the practical tests, a jig and a fixture and other test supplies are designed and manufactured. The performance of the test jig is evaluated and showed that it is adequate for composites testing under tension and compression loads. The effects of strain rate on mechanical properties (maximum strength, modulus, and strain to failure) are considered. The characteristic results for the transverse properties indicate that damage evolution is strain-rate-dependent for the examined material. Also, a strain-rate-dependent empirical material model associated with different regression constants is proposed based on the experimental results obtained to characterize the rate dependent behavior of Glass/Epoxy composite material.     

黄麻纤维束力学性能的尺寸和应变率效应

为了探究黄麻纤维束的尺寸效应和应变率敏感性,利用C43电子式万能试验机和CEAST 9340落锤试验冲击系统分别在静动载条件下对黄麻纤维束进行测试,获得了杨氏模量、强度、峰值应变和韧性随标距和应变率的变化关系静载试验在1/600s-1应变率条件下进行,测试了6组不同标距(25、50、100、150、200和300mm)的试件;动载试验以应变率为变量,在4组不同的应变率(40、80、120和160s-1)条件下进行了测试,试件标距均为25mm。测试结果表明:随着试件标距增大,杨氏模量初始增大,当标距大于100mm时趋于稳定;强度、峰值应变和韧性均减小。随着应变率增大,杨氏模量和强度均增大;峰值应变初始减小后趋于稳定;韧性先减小后增大。鉴于植物纤维束材料较大的性能离散性,采用Weibull分布对试验数据进行拟合,获得了黄麻纤维束强度在不同试验条件(标距和应变率)下的分布规律。     

应变率对T300/Al(L2)复合丝拉伸性能的影响

利用MTS810试验机和自行研制的冲击拉伸试验装置对T300／Al复合丝实施了不同应变率下的拉伸试验,获得了材料从0．001s^-1到1300s^-1应变率范围内完整的应力应变曲线。结果表明：T300／Al是一种应变率敏感复合材料,随着应变率的提高,材料的拉伸强度、失稳应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和动态韧性现象,这主要是由铝基体的应变率强化效应和应变率历史效应引起的。根据材料在不同应变率下的试验结果以及对其不同变形阶段机理的分析,提出了弹塑性复合丝束模型,并由此建立了相应的应变率相关的一维统计损伤本构方程,模型拟合结果与试验结果一致。     

DP980高强钢动态拉伸力学行为

对比分析DP980高强钢在应变速率10~(-3)~10~3s~(-1)范围内的动态拉伸实验结果,研究其力学行为以及断裂模式特点。结果表明:应变速率从准静态(10~(-3)s~(-1))增加至10~0s~(-1)过程中,强度基本保持不变,塑性下降了7.5%;应变速率从100s~(-1)增加至103s~(-1)过程中,强度不断增大,而塑性在10~0~10~2s~(-1)范围内上升14%,随后在10~2~103s~(-1)范围内下降了24.7%;应变速率敏感系数m始终随应变速率的增加而升高。变形过程中,位错增殖强化和加速阻力是强度上升的主要原因。塑性变形集中在铁素体中,微孔裂纹主要沿马氏体/铁素体交界扩展。试样沿厚度方向上的宏观断口,在应变速率小于101s~(-1)时呈"V"形杯锥状,在应变速率高于10~1s~(-1)时则是与拉伸方向成约45°的纯剪切型。     

高强高模聚乙烯纤维力学性能的应变率和温度效应

利用MTS810材料试验机、旋转盘式杆-杆型冲击拉伸装置和温度控制箱,在温度20℃~110℃、应变率为0.001/s~700/s范围内,对高强高模聚乙烯纤维束进行了准静态和高应变率冲击拉伸实验,得到了不同温度、不同应变率时纤维束的应力-应变曲线。结果表明:高强高模聚乙烯纤维束的初始弹性模量具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而增加,随温度提高而下降;在常温下,破坏应力从准静态到动态,具有明显的应变率相关性,随应变率提高而增加,但在20℃~110℃范围内、高应变率下,对应变率变化不敏感;失稳应变也具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而减小,随温度提高而增大。在高应变率下,断裂应变能密度主要由初始弹性模量和失稳应变共同决定,受温度效应和应变率效应的综合影响。     

Experimental study of strain-rate-dependent behavior of carbon/epoxy composite

The strain rate dependent behavior of IM7/977-2 carbon/epoxy matrix composite in tension is studied by testing the resin and various laminate configurations at different strain rates. Tensile tests have been conducted with a hydraulic machine at quasi-static strain rates of approximately 10⁻⁵ s⁻¹ and intermediate strain rates of about 1 s⁻¹. Tensile high strain rate tests have been conducted with the tensile split Hopkinson bar technique at strain rates of approximately 400–600 s⁻¹. Specimens with identical geometry are used in all the tests. The standard split Hopkinson bar technique is modified to measure strain directly on the specimen. The results show that strain rate has a significant effect on the material response.