准静态及动态载荷加载下聚脲材料的力学性能

为分析聚脲材料在准静态及动态载荷加载下的力学性能变化规律,开展了霍普金森压杆冲击试验研究.利用万能材料试验机和霍普金森杆对聚脲材料进行力学性能测试,获得各应变率下材料应力-应变曲线,结果表明:准静态载荷加载下的聚脲材料切线模量随着应变的增大而呈现类似指数函数增长趋势,动态载荷加载下呈现类似线性降低趋势;随着应变率的增加,聚脲材料强度(拉伸强度和屈服强度)、断裂能逐渐增加.由此可见:聚脲材料具有显著的应变率效应;聚脲材料高应变率载荷加载下的"递减硬化"特性与聚脲抗爆、抗冲击特性密切相关;从低应变率到高应变率加载,聚脲材料存在有橡胶态到玻璃态的转变,强度显著增强.     

挤压态6082铝合金热加工图及显微组织研究

用Gleeble3500热模拟试验机对挤压态6082铝合金进行等温恒应变率压缩试验,变形温度为350～500℃,应变率为0.01～7.5 s-1,获得不同变形条件下的真应力-真应变曲线,建立本构方程和热加工图,并对不同条件下显微组织进行分析.结果表明:挤压态6082铝合金为正应变率敏感材料,该材料热变形软化机制主要为动态回复,热变形失稳主要是析出相聚集导致局部流变失稳,计算得到该合金的热变形激活能为175.17 kJ/mol,安全加工区主要分布在375～500℃,0.001～0.5 s-1,随应变增加安全加工区变化很小.     

两种超高强度钢的拉伸力学性能研究及断口分析

利用CSS4410型电子万能材料试验机和Hopkinson拉杆研究这两种材料在室温下应变率范围在0.001～3 300 s-1的拉伸力学性能,结果表明:两种材料在不同应变率拉伸载荷下均有明显的应变硬化和颈缩现象;两种材料均表现出较强的应变率敏感性,并且材料Ⅰ的应变率敏感性强于材料Ⅱ。最后利用扫描电镜(SEM)对两种材料应变率在0.001 s-1和3300 s-1下的拉伸断口进行观察,发现试样的断口形貌均为杯锥状,剪切唇区的面积比例随应变率的提高而增大,表现出一定的应变率相关性。     

高铜超纯铁素体不锈钢热变形行为研究

为研究高铜超纯铁素体不锈钢(21Cr-1.5Cu)热加工过程中变形温度和应变率对热变形行为影响,在变形温度为950、1000、1050、1100、1150、1200℃,应变率为0.01、0.1、1、10 s-1条件下对其进行热变形试验.结果表明:试验钢热变形方程为ε.=5.81×1013sinh(ασ)4.6825exp(-323000/RT).热加工图中流变失稳区主要有3处:变形温度为950～1060℃,应变率为0.15～1.1 s-1;变形温度为1050～1080℃,应变率为3～10 s-1;变形温度为1130～1180℃,应变率为1～10 s-1.分析可知,变形温度为1075～1200℃,变形率为0.01～0.1 s-1最适合热加工,能耗率达40％以上,且应变量增加,失稳区增大.     

活性材料PTFE/Al动态压缩性能

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,研究两种不同配比的聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)活性材料(PA265和PA35)在高应变率下的力学压缩性能与加载反应性能,对比分析了铝含量不同对PTFE/Al活性材料的屈服强度,破坏性能,反应性能的影响.研究结果表明: 两种PTFE/Al活性材料存在应变率效应,在应变率1000～8000 s-1范围,PA265的屈服应力为32～44 MPa,PA35的屈服应力为40～55 MPa.铝含量越高,PTFE/Al的屈服强度越高; 在应变率3100～5800 s-1范围内,两种材料的破坏应力基本相同,约为143～153 MPa; PA265和PA35的临界反应应力分别为157,163 MPa; 铝粉含量不能高于35%,否则由于缺少足够的氧化剂(PTFE)而普遍出现不完全燃烧反应的现象.     

温度和应变率历史对拉伸载荷下铁基记忆合金本构关系影响的研究

在20～500℃和0.00208～193s-1的范围内研究了温度和应变率历史对拉伸载荷下铁基记忆合金本构关系的影响.实验结果表明,应变率历史对该材料具有强化作用,而且随着预应变率的提高,其强度提高,延伸率降低.其对应变率历史的敏感性则随着温度的升高而降低.     

应变率对铁基多孔预制件增强铝基复合材料压缩变形行为的影响

采用挤压铸造法制备了铁基多孔预制件增强铝基复合材料,并对其进行T6处理,通过对该材料进行压缩性能测试,获得材料在不同应变率下的应力-应变曲线,对曲线和压缩后试样的形貌进行分析。结果表明:应变率为0.001~10 s-1,材料对应变率的变化不敏感,其峰值应力基本保持在600 MPa;应变率为1 000~2 700 s-1,材料对应变率的变化也不敏感,峰值应力基本保持在700 MPa;当应变率从10 s-1提高到1 000 s-1,材料的变形方式发生改变,峰值应力提高,试样压缩后的形貌由剪切断裂转变为仅发生塑性变形。应变率为1 000~2 700 s-1,材料的应力-应变曲线上存在很长的平台应力,且随应变率的增加平台变宽,说明该材料具有很好的能量吸收能力。     

两种炸药材料本构行为的应变率效应分析

对PBX和B炸药两种压装炸药进行了应变率为10-4～102s-1的压缩实验,得到了两种炸药材料在不同应变率下的应力-应变曲线;通过回收试样的SEM观测,对材料的破坏模式进行了细观考察;初步建立了材料在高应变率下的本构模型;对两种炸药力学行为的特征和应变率效应得到了较系统的认识.     

喷射沉积超高强铝合金唯象本构方程材料常数应变补偿分析

基于热模拟试验,在获得变形温度为523~723 K(间隔50 K),应变速率为0.001、0.01、0.1、1 s-1喷射沉积超高强铝合金真应力-真应变数据的基础上,根据Arrhenius唯象本构方程计算出真应变为0.1、0.2和0.3时的材料常数(n、β、α、Q和ln A3)。结果表明,不同真实应变下的材料常数不同。根据真应变为0.1~0.6(间隔0.1)下的材料常数计算结果,采用回归分析的方法,进行材料常数应变补偿回归分析。材料常数n、β、α、Q和ln A3回归分析的可决系数为0.993 62、0.963 27、0.986 82、0.986 92和0.985 29,回归分析的拟合优度高,很好地反映出材料常数随真应变的变化规律。在此基础上建立了不同材料常数的应变补偿回归模型。     

电铸Ni-W合金高应变率下的流变应力特征

利用Gleeble-1500型热模拟机和分离式Hopkinson压杆实验装置,对700℃下退火2 h的电铸Ni-W合金进行压缩试验,测定合金在准静态条件(10-3~10-1s-1)和高应变率(650~2 200 s-1)下的应力-应变曲线。结果表明,在高应变率条件下,电铸Ni-W合金具有应变率增强、增塑及应变强化效应。高应变率下的塑性变形过程中产生的绝热升温对材料起软化作用。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电铸Ni-W合金的动态塑性本构关系。     

2,4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸药动态力学性能

炸药动态力学性能是影响其安定性的重要因素。为揭示2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔注炸药的动态力学性能特征,采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验对DNAN基不敏感抗过载熔注炸药的动态力学性能进行研究。通过入射波整形技术,实现了低阻抗、低强度的熔注炸药材料在SHPB实验中的应力平衡和恒应变率加载,得到65 s^-1、130 s^-1和200 s^-1等3种应变率下炸药的应力应变曲线;基于炸药应力应变数据,利用改进的Lesuer标定方法,获得该炸药的Johnson- Cook本构模型参数。结果表明：随着应变率的提高,该炸药失效应力逐渐增加,具有明显的应变率效应;拟合得到的Johnson-Cook动态本构模型能较好地预测该炸药在冲击载荷作用下的力学响应。     

铝粉/橡胶复合材料力学性能与本构模型研究

为研究铝粉/橡胶复合材料的力学性能与本构模型,利用WGD-1型万能材料试验机及分离式Hopkinson压杆进行了准静态和动态压缩试验。获得了试件在准静态下与1 400 s^-1～2 800 s^-1应变率范围内的应力-应变曲线;建立了描述试件材料一维动态、静态压缩力学行为的率相关本构模型;采用扫描电子显微镜观察了铝粉颗粒在橡胶基体中的分布情况。试验结果表明：不同配比的试件在准静态加载下硬化形式不同,铝粉质量含量60%的试件中铝粉颗粒在压缩后期出现破碎现象且最终被压溃;动态加载下,试件应变率效应明显,流动应力比准静态条件下显著增加,铝粉质量含量60%的试件增加尤为明显。     

混凝土材料拉伸强度的应变率强化效应实验研究

混凝土材料的拉伸强度具有明显的应变率强化效应。采用同批制作的混凝土圆盘和圆杆试样,利用霍普金森杆加载,进行动态劈裂实验和一维杆应力波层裂实验。借助超高速摄像机、数字图像相关(DIC)等测试方法观察实验中试件破坏过程,以准确测量混凝土材料在不同应变率下的拉伸强度。在劈裂实验中注重加载方式,以保证试件满足求解弹性解析解的中心起裂条件;在层裂实验中精确确定层裂发生位置和时刻,获得了可靠的材料拉伸强度,并分析劈裂拉伸与层裂拉伸强度的应变率强化规律。研究结果表明:对于动态劈裂实验,DIC方法显示圆盘中心起裂与否的临界应变率约为10 s^-1;而对于层裂实验,采用DIC方法可以得到多次层裂对应的拉伸强度及相应的应变率(10～100 s^-1);通过线性拟合拉伸强度应变率强化规律,层裂拉伸强度随应变率增长的斜率较劈裂实验结果偏高,混凝土的层裂拉伸强度动态增强因子可达5以上。所得研究结果对脆性材料动态拉伸强度及应变率强化效应的准确测量,具有一定的参考意义。     

炮钢材料动态本构模型及其验证

在温度88~573 K和应变率0.001~2 000 s^-1的条件下,通过温度与应变率耦合的静态和动态分离式Hopkinson压杆实验,并以初步获得的炮钢材料动态本构模型基本参数为基础,通过进一步的优化及Taylor杆冲击实验,验证并最终确认了炮钢材料动态本构模型参数,模型预测与实验结果相对误差小于5%. 验证结果表明,建立的炮钢材料动态本构模型能真实地反映其动态响应。     

一维应力动态加载下战斗部装药力学响应预报模型

为获得战斗部装药在高过载侵彻下的动力学行为,对战斗部装药（黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX)）在高应变率下的动态力学响应特性进行了研究。采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB) 实验技术对RDX基PBX炸药动态力学性能展开研究、压电传感器监测试件两端应力状态、高速相机拍摄实验中的试件变形过程,确保实验试件变形在动态应力平衡和常应变率加载条件下进行,保证实验数据的有效性。结果表明,该RDX基PBX炸药具有明显的密度效应及应变率效应,当应变超越0.075时应变率效应显著增强。基于应变能函数,建立该RDX基PBX炸药在一维应力状态下修正的Rivilin本构模型,模型拟合结果与实验结果基本相符,仿真结果得到的应变时间信号及试件变形模式与实验结果基本吻合。     

氟聚物基活性材料动态压剪实验研究

针对典型聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)(质量分数73.5%/26.5%)氟聚物基活性材料,开展不同应变率、不同温度下的准静态、动态压缩实验;基于不同预设剪切带宽度的帽状试样,开展不同应变率下的动态压剪实验。准静态(应变率10^-3 s^-1)及不同应变率(3×10³～7×10³ s^-1)、不同温度(20℃,100℃,150℃,200℃)条件下的动态压缩实验表明,PTFE/Al活性材料是一种典型的弹塑性材料,具有显著应变硬化、应变率强化和热软化效应。不同宽度(500μm, 300μm, 100μm)预设剪切带帽状试样动态压剪实验表明,剪切带宽度不同导致的局部温升和热效应对材料动态压剪力学响应及材料参数影响显著。     

TiB2-B4C复合陶瓷动态压缩特性研究

为分析TiB₂-B₄C复合陶瓷的静动态力学性能及添加剂TiB₂的影响机制,设计了静动态压缩实验和平板撞击实验,开展了复合陶瓷在不同应变率下的动态压缩特性研究。结果表明：一维应力波加载下TiB₂-B₄C复合材料具有陶瓷材料的脆性特征,应力-应 变曲线呈典型的线性关系;由一维应变加载下试样的自由面速度历程可知,复合材料的Hugoniot弹性极限在14.98~16.91 GPa之间,且随着应变率的增加而增加;应变率低于10³ s^-1时,TiB₂-B₄C复合材料的动态压缩强度高于单相B₄C和单相TiB₂陶瓷,且具有正相关的应变率敏感性,复合材料强度的提升得益于微观结构的改善,而应变率敏感性主要受添加剂TiB₂的强化增韧媒介影响;然而,应变率高于10⁴ s^-1时,TiB₂-B₄C复合材料的Hugoniot弹性极限接近基体B₄C陶瓷,而受添加剂TiB₂的影响较小。     

海绵橡胶非线性静动态力学特性和本构关系

针对海绵橡胶的物理特性展开了准静态单轴压缩实验和分离式Hopkinson压杆动态压缩实验,得到海绵橡胶材料的应力-应变曲线,并对材料的应变率效应及材料的变形和破坏特性进行深入分析,在此基础上给出材料的动静态本构关系。结果表明：海绵橡胶材料在准静态加载下,应变大于0.3时,应力-应变曲线才开始偏离坐标轴,表现出非线性特征;在冲击载荷下,海绵橡胶的应变率效应并不明显。     

含钨活性材料动态压缩力学性能

为了研究活性材料的动态压缩力学性能,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对材料进行单轴压缩加载,获得了材料在不同应变率下的应力-应变曲线。将应力时程曲线和高速摄影拍摄结果对比,得到材料的屈服应力和临界反应应力。基于修正后的Johnson-Cook本构模型拟合材料参数,代入有限元计算软件LS-DYNA,计算结果和实验结果吻合较好,表明获得的模型参数可以较好地反映该材料的力学性能。     

弹道明胶动态力学性能试验与本构模型研究

弹道明胶被广泛用作生物医学和终点弹道中的软组织模拟物,其动态力学特性的准确测试一直是创伤弹道学领域重点关注的话题。为解决明胶材料在动态测试中出现的透射信号微弱、非均匀变形等问题,霍普金森压杆装置选用铝合金压杆搭配半导体应变片,同时采用波形整形技术及薄片试样等手段,开展4℃环境下浓度10%和20%弹道明胶的动态力学性能试验。试验结果表明：明胶的动态力学响应呈非线性,应力-应变曲线由弹性段及3个塑性强化段组成;应力动态增加因子与归一化应变率的对数呈线性关系;考虑应变率效应的多项式本构模型可较好地描述明胶在高应变率下的力学行为。研究成果可为轻武器杀伤元侵彻明胶靶标的数值仿真工作提供支撑。