热氧化TC4静动态力学性能研究

本文选取700 °C/10 h热氧化工艺,对TC4进行热氧化处理。通过准静态压缩,纳米压入及分离式Hopkinson压杆冲击等测试,研究了热氧化对TC4静动态力学性能的影响。此外,借助扫描电镜(SEM)分析了动态冲击后氧化层的形貌。结果表明,热氧化TC4具有较好的静态力学性能和较高的应变率强化效应。氧化层在较低冲击应变率下,能够提高TC4的塑性；而当应变率过大,则会降低其塑性。最后,经过对本构模型修正和试验数据拟合,得到了室温下的热氧化TC4的Johnson-Cook(J-C)本构方程。修正曲线与实验结果对比,两者在塑性平台区吻合较好。     

基于J-C模型的TC18钛合金动态本构方程构建

采用电子万能试验机对TC18钛合金进行常温准静态压缩实验,得到该合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18钛合金在温度分别298、523、773、1 023 K,应变率分别为500、1 000、1 500 s-1下进行动态力学性能实验,从而获得TC18钛合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线,并利用J-C模型对合金在高应变率下的动态塑性本构关系进行拟合,最终建立该合金在高温下的动态塑性本构方程。通过对模型的计算结果分析表明,该模型可以较好地预测TC18钛合金在高温与冲击载荷共同作用下的塑性流变应力。     

T2铜的动态力学性能及本构关系

利用Gleeble1500热模拟试验机和分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)对T2铜进行常温下准静态压缩试验和高应变率下的冲击压缩实验,获得不同应变率下的应力-应变曲线。结果表明:T2铜在动态冲击下的强度明显高于准静态压缩下的强度,具有显著的应变率强化效应;在动态冲击较低应变速率的区域内,T2铜的塑性流动应力对应变率很敏感,具有明显的应变强化和应变率强化效应。但在动态冲击较高应变速率的区域内,发生相同变形时的应力水平相差不大,表现出对应变率变化不敏感的性质。对传统的Johnson-Cook本构模型进行修正,拟合曲线与试验曲线吻合较好。     

TC18合金高温动态力学行为表征

采用电子万能试验机对TC18合金进行常温准静态压缩实验,得到合金在准静态下的实验数据,根据实验数据,选用分离式Hopkinson压杆对TC18合金在温度分别为298 K、523 K、773 K和1023 K,应变率分别为500s~(-1)、1000s~(-1)和1500s~(-1)下进行动态力学性能实验,得到合金在高温动态压缩条件下的应力-应变曲线。在Johnson-Cook模型的基础上,通过考虑应变、应变率和温度的耦合效应,建立修正的Johnson-Cook模型对TC18合金的高温动态力学性能进行表征,模型预测结果与实验结果吻合良好,表明修正的Johnson-Cook模型能够更精确地表征TC18合金在高温下的流动应力。     

高应变率下TC4-DT钛合金的动态力学性能及塑性本构关系

为研究TC4-DT钛合金的动态力学性能及其本构关系,在1000~8000 s-1应变率范围内,利用分离式Hopkinson压杆试验装置对该材料进行动态压缩试验,得到高应变率下的真实应力-应变曲线。结果表明:高应变率时TC4-DT钛合金材料存在应变率增强、增塑以及应变强化效应,其流变应力表现出较强的应变率敏感性。通过微观组织观察,发现高应变率变形时出现绝热剪切带是材料流变应力急剧减小的主要原因。改进Johnson-Cook本构模型中的温度项,利用试验数据对TC4-DT钛合金在高应变率下的动态塑性本构关系进行拟合,得到室温下该材料的动态塑性本构方程,模型计算结果和试验结果证明该模型可以更好地预测TC4-DT钛合金高应变率下的塑性流变应力。     

合金元素对TC4钛合金动态力学性能的影响

利用分离式Hopkinson压杆装置,在应变率=2000,3000,4000s-1加载条件下,对4种TC4钛合金的等轴组织试样进行了动态压缩试验,得到了不同状态下的动态真应力-应变(σ-ε)曲线。结果表明:随着Al、V含量的增加,TC4钛合金等轴组织试样的平均动态流变应力、均匀动态塑性应变和冲击吸收功都有所增加,动态力学性能有所提高;随着间隙元素含量的增加,TC4钛合金等轴组织试样的平均动态流变应力和冲击吸收功有所提高,而均匀动态塑性应变有所降低。     

纯铁在高应变率下的流动应力特征及其动态塑性本构关系

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆实验装置,对锻造后经930℃下退火2h的纯铁材料进行压缩实验,测定纯铁在准静态条件(10-3s-1~100s-1)和高应变率(650s-1~8500s-1)下的应力-应变曲线。实验结果表明,纯铁是应变率敏感材料,纯铁在高应变率条件下,具有应变率增强、增塑以及应变强化效应,高应变率下的塑性变形过程中产生的绝热升温对材料具有热软化作用。基于Johnson-Cook(J-C)本构模型,引入绝热温升软化项对模型进行修正,通过实验数据拟合得到了纯铁的动态塑性本构关系,模型计算结果和实验结果证明,该模型可以较好地预测纯铁在高应变率下的塑性流动应力。     

DP780高强钢板材高应变率变形行为及本构模型

基于MTS准静态拉伸和分离式霍普金森杆冲击拉伸实验对DP780高强钢板材在0.001、1150、1900、2800和4200 s~(-1)应变率水平下的本构行为进行了描述,获得了其高应变率变形规律,并建立了修正的Johnson-Cook(JC)动态本构模型。结果表明,动态冲击拉伸时,DP780板材的变形行为与准静态时显著不同,呈现显著的应变率强化特征。动态拉伸条件下的屈服强度和抗拉强度都要明显高于准静态条件下,屈服和抗拉强度在动态条件下随应变率升高也会有所增加,但由于绝热升温效应,应变率达到2800 s~(-1)左右时不再出现增加的趋势。基于动态拉伸数据建立的修正的JC本构模型能很好地描述和预测实验结果。     

考虑应变率效应的轻量化座钣有限元分析（英文）

室温条件下,采用Instron实验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对TC4钛合金进行压缩实验,得到了不同应变率下的真应力-真应变曲线。通过对应力-应变曲线拟合分析,建立了TC4钛合金的Johnson-Cook(JC)本构模型。基于该本构模型,采用ABAQUS/Explicit对TC4钛合金高应变率下的冲击压缩实验进行了数值模拟,通过实验结果与仿真数据的对比分析,验证了该本构模型参数的合理性。为实现迫击炮轻量化的目标,设计了一种新型轻量化TC4钛合金质迫击炮座钣。通过建立冲击载荷下迫击炮座钣的有限元模型,考虑材料的应变率效应,对座钣的强度和刚度进行了分析,得到了座钣的应力和位移的变化规律。     

TWIP钢的动态力学性能及变形机制研究

利用Zwick/Roell Z100万能材料试验机和Hopkinson拉杆对TWIP钢进行了准静态及动态力学性能的研究。基于力学实验结果,修正了Johnson-Cook动态本构模型中应变硬化项以及应变强化项。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)技术对TWIP钢拉伸变形前后的组织进行了观察与分析。结果表明：TWIP钢在准静态加载下表现为负应变率敏感性,动态加载时表现为正应变率敏感性。拉伸过程中,孪生诱发塑性是TWIP钢的主要变形机制,同时滑移也起到重要作用;动态加载下TWIP钢中形变孪晶的起始应变和孪晶体积分数均小于准静态加载过程;形变孪晶的生成以及孪晶相互作用导致的晶粒细化,使TWIP钢兼具高强度、高塑性及高动态吸能性能,在抗冲击、抗爆领域具有广泛的应用前景。     

温度和应变率对低银无铅焊料力学行为的影响

在不同工况下,采用电子万能材料试验机和分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对低银无铅焊料Sn0.3Ag0.7Cu分别进行准静态和动态实验,分析了应变率和温度对Sn0.3Ag0.7Cu动态力学性能的影响。结果表明:低银焊料Sn0.3Ag0.7Cu的应力-应变曲线具有温度软化效应与应变率硬化效应。在不同的温度范围内,应变率硬化效应与温度软化效应对低银焊料Sn0.3Ag0.7Cu的塑性变形的影响是不同的。基于Johnson-Cook模型对实验数据进行拟合、修正得到低温和中高温下Sn0.3Ag0.7Cu的动态本构关系,并且与实验数据进行比较,两者在材料的塑性平台区表现出高度的一致性。     

细晶富铝Al/Fe复合材料动态力学性能及本构关系

利用分离式霍普金森杆对通过热压烧结法制备得到的细晶富铝Al/Fe复合材料进行了动态力学性能测试,得到了应变率为100~2300 s-1范围内材料的应力-应变曲线,并与准静态条件下(0.01 s-1)的力学性能作了对比。结果表明:随着应变率增加,材料强度提高,塑性下降,应变率为2300 s-1时的屈服强度与弹性模量分别为准静态时的7.8和2.3倍。对材料断口形貌进行了分析,断裂方式由脆性解理断裂、沿晶断裂和韧窝断裂共同组成。根据试验所得数据,构建了改进型一维弹脆性损伤本构模型,得到了试样断裂失效前的动态本构方程及式中参数的率相关特性。改进后的本构模型与实验数据吻合良好。     

高应变速率冲击条件下Fe-Mn-C TWIP钢的力学性能

采用Hopkinson压杆对实验Fe-Mn-C TWIP钢进行了高应变速率(1202~2532 s-1)下的动态力学性能测试。结果表明:实验TWIP钢具有较为明显的应变速率效应,随应变速率的提高材料的强度和塑性均增加;随应变速率的提高材料的能量吸收值也随之增加。结合准静态压缩(0.001 s-1)实验数据,优化拟合了Johnson-Cook模型中的各参数,获得了材料的动态力学本构方程,拟合结果与实验结果具有较高的一致性。     

Q345-TA2的动态流动应力特征和本构关系

钛钢复合板因其优异的高强度和耐腐蚀性能已越来越多的被应用于动态环境下。采用Gleeble-3500热模拟试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对Q345-TA2钛钢复合板进行准静态和高应变速率压缩试验。结果表明:Q345-TA2钛钢复合材料具有应变率增强效应、增塑效应、绝热温升软化作用,但在准静态和动态冲击各自分区范围内,对应变率变化不甚敏感。在考虑绝热温升的基础上,对J-C本构模型进行修正,得到了可用于对冲击载荷作用下进行结构分析的材料本构模型,结果较好。     

TC21钛合金动态拉伸行为的率-热效应及其本构关系

对TC21两相钛合金材料在不同温度下从准静态到高应变率范围(0.001~1200 s~(-1))的动态拉伸力学行为进行了试验研究。通过静态试验机与分离式Hopkinson拉杆装置,获取了TC21钛合金在单轴拉伸载荷下的应力-应变响应曲线。同时通过动态拉伸复元试验方法得到了材料在高应变率下的等温应力-应变响应曲线。由试验结果可见,TC21钛合金的动态拉伸力学行为具备应变率-温度敏感特性,其初始屈服应力随应变率增加而增大,随温度升高而减小,通过引入2个敏感度系数对TC21材料的率-热效应进行了探究。同时根据等温试验数据对Johnson-Cook唯象本构模型进行修正来描述TC21钛合金率-热相关性的本构行为。对比模型预测结果与试验数据,二者吻合良好,验证了修正模型的准确性。     

考虑应变率效应的新型轻量化迫击炮座钣有限元分析

室温条件下,采用INSTRON实验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对TC4钛合金进行压缩实验,得到了不同应变率下的真应力-真应变曲线。通过对应力-应变曲线拟合分析,建立了TC4钛合金的Johnson-Cook(JC)本构模型。基于该本构模型,采用ABAQUS对TC4钛合金高应变率下的冲击压缩实验进行了数值模拟,通过实验结果与仿真数据的对比分析,验证了该本构模型参数的正确性。为实现迫击炮轻量化的目标,设计了一种新型轻量化钛合金质迫击炮座钣。通过建立冲击载荷下迫击炮座钣的有限元模型,考虑材料的应变率效应,对座钣的强度和刚度进行了分析,得到了座钣的应力和位移的变化规律。本文的研究结果为迫击炮座钣及其它装备结构的轻量化设计与开发提供了借鉴。     

TRIP780高强度钢板动态力学特性的研究

通过准静态和动态拉伸实验,获得了材料的力学性能参数,分析了TRIP780高强度钢板材的力学性能特点。基于Johnson-Cook模型建立了描述TRIP780高强度钢应变率相关性的本构关系模型,并将由该模型模拟得到的动态拉伸结果同实验结果进行对比,对比结果表明,数值模拟的结果与实验结果具有较好的一致性。利用数值模拟技术,分别模拟TRIP780钢和普通IF钢的薄壁梁冲击压溃过程,结果表明,TRIP780具有较好的抗冲击碰撞性能。     

DP780高强钢板动态变形力学行为研究

通过准静态拉伸实验和0.1m/s,2m/s,10m/s和15m/s等4种拉伸速度下的动态冲击拉伸实验,对DP780高强钢板的动态变形行为进行了研究,得到了不同应变率下的应力-应变曲线,基于Johnson-Cook模型建立了可描述DP780高强钢变形应变率相关性的应力-应变关系模型。为更好地预测材料动态冲击条件下的应变率以及应力的变化,提出了一个基于宏观变量速度v的本构关系方程,数值拟合结果与实验结果十分吻合。     

应变速率循环法构建TC21钛合金超塑性本构方程

采用应变速率循环法在超塑拉伸机上对TC21钛合金进行5组高温超塑性拉伸实验,变形温度范围860℃~940℃,应变速率循环范围10-5s-1~10-3s-1。通过对拉伸实验数据分析,计算出TC21钛合金动态再结晶激活能Q,利用Arrhenius模型构建TC21钛合金高温条件下的超塑性本构方程,并通过1stOpt软件进行非线性回归拟合进行修正,得到了更为精准的超塑性本构方程。实验结果表明,当变形温度不变时,流动应力随着应变速率的增大而增大,且高应变速率时,流动应力对应变速率的敏感性要大于低应变速率时,可判定TC21钛合金属于正应变速率敏感材料。TC21钛合金在860℃附近时的超塑性较好,综合延伸率可达366.6%。     

TC21钛合金超塑性拉伸变形流变行为

通过恒应变速率超塑性拉伸试验,研究了TC21钛合金在变形温度为1 153~1 193K,应变速率为3.3×10-4~3.3×10-2 s-1条件下的拉伸流变应力行为。计算了TC21钛合金超塑性拉伸变形激活能和相应的应力指数,建立了TC21钛合金应力-应变本构模型,并通过1stopt软件对其进行修正。研究表明,在同一应变速率下,TC21钛合金流变应力随变形温度的升高而减小;在同一变形温度下,流变应力随着应变速率的增大而增大。当应变速率较高,变形温度较低时,动态再结晶为主要软化机制;当应变速率较低,变形温度较高时,加工硬化与软化达到动态平衡,软化机制以动态回复为主;当变形温度为1 153K,应变速率为3.3×10-4 s-1时,TC21钛合金具有较好的超塑性(408.60%);超塑性拉伸变形激活能和应力指数分别为329.20kJ/mol、2.367 7。