设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.     

冲击加载下金属铝中氦泡演化行为的相场模拟

氦泡等缺陷对金属材料动态强度的影响一直是动态强度研究关注的重点。将相场方法引入冲击加载下氦泡演化行为研究中,通过与晶体塑性理论耦合,建立了可描述冲击下氦泡早期演化行为的介观模拟技术。应用该方法,针对含氦泡的金属铝材料,从介观尺度对氦泡的演化行为及其对位错集体演化行为的影响进行了研究。结果表明:氦泡结构的非均匀性导致局域应力集中和塑性变形集中,局域塑性变形集中会导致沿冲击波传播方向发射稀疏波;从能量守恒角度上看,在材料变形过程中氦泡生长与塑性变形呈竞争关系,塑性耗散的快慢直接影响氦泡的生长速率,使其发生改变。研究结果可为解读含氦泡材料的宏观屈服强度和层裂行为提供理论支撑。     

冲击波在纳米金属铜中传播的分子动力学模拟

使用分子动力学方法模拟了冲击波在纳米金属铜中的传播,模拟样品由Voronoi方法得到.结果显示纳米金属铜在冲击加载下呈现多次屈服的现象,并发现冲击波具有多波结构.由于设计样品时选择了晶粒取向,晶界滑移和位错在冲击波波形上被区分开.冲击波波阵面由弹性变形区、晶界滑移主导的塑性变形区和位错主导的塑性变形区组成.样品中弹性波前沿扰动较小,而位错主导的塑性波前沿扰动较大,造成后者的主要原因是波阵面上沿冲击方向不同取向晶粒的不同屈服行为.     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

冲击加载下铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征研究

通过分子动力学模拟研究了在相同冲击加载强度下单晶铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征,结果发现氦泡和孔洞的塌缩是由发射剪切型位错环引起的,而没有观测到棱锥型位错环发射. 氦泡和孔洞周围的位错优先成核位置基本一致,但是氦泡周围发射的位错环数目比孔洞多,位错环发射速度明显比孔洞快. 且氦泡和孔洞被冲击波先扫过部分比后扫过部分发射位错困难. 通过滑移面上的分解应力分析发现,氦泡和孔洞周围塑性特征的差别是由于氦泡内压引起最大分解应力分布改变造成的. 氦泡和孔洞被冲击波先后扫过部分塑性不对称是因为冲击波扫过时引起形状变化, 关键词： 分子动力学 冲击波 氦泡 孔洞     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

冲击载荷下非晶态碳材料的动态响应模型研究

 在一维应变冲击加载条件下，采用两个石英压力传感器进行了双值应力历史测量，对非晶态碳材料的动态响应特性进行了分析研究。研究结果表明，非晶态碳材料的冲击响应是简单稳定的，在试验冲击应力范围内为非线性弹性响应，Hugoniot曲线呈上凸的，表明材料内部传播的不是一个冲击波而是一簇压缩波，因此可采用特征线方法来解该冲击波问题，并用Riemann积分法对冲击应力过程进行修正，得到材料更精确的Hugoniot方程。还采用COPS程序对该材料的冲击响应过程进行了数值模拟，数值模拟曲线与试验曲线是很吻合的。表明采用Riemann积分法处理是合理的，此方法可以在VISAR测量中得到应用。     

冲击作用下HMX晶体孔洞塌缩热点生成机制的细观数值模拟

热点的形成、点火以及成长过程是理解非均匀炸药冲击起爆的关键.采用离散元法,对冲击作用下含孔洞的HMX晶体进行了细观数值模拟.计算结果表明:在较低冲击作用下,孔洞边缘发生了较大的剪切变形,粘塑性功形成热点;而在较高冲击作用下,孔洞塌缩产生射流,汇聚流动,冲击下游炸药形成热点,并获得了孔洞塌缩和热点生成演化的细观过程.     

<100> LiF高速冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟

结合状态方程建立晶体塑性有限元模型,模拟高速冲击加载条件下100 LiF的动态弹塑性大变形行为,得到应力波剖面特征、动态力学演化规律及其连续介质力学根源。结果表明:毫米级样品经约15 GPa以内的低压冲击,波剖面具有弹塑性双波响应、弹性前驱衰减和应力松弛现象,其决定性因素包括样品厚度、外加压力和材料本构;从连续介质力学角度分析得到,应力松弛本质上是由于黏性塑性流动,导致总应变增速小于塑性应变增速,从而使弹性应变减小、压力降低;提出用压力关于时间的三阶导数大于零作为判断条件,对应力波剖面上双波和单波响应的临界压力进行估测,发现随着样品掺杂浓度的增加,临界压力增大;高速冲击变形的温升效应不可忽略,且温升绝大部分来自弹性体积变形的贡献。     

Computer simulation of the relation between mechanical behavior and structural evolution of oxide ceramics under dynamic loading

Computer simulation is used to investigate the deformation and damage processes taking place in brittle porous oxide ceramics under intense dynamic loading. The pore structure is shown to substantially affect the size of the fragments and the strength of the materials. In porous ceramics subjected to shock loading, deformation is localized in mesoscopic bands having characteristic orientations along, across, and at ∼45° to the direction of propagation of the shock wave front. The localized-deformation bands may be transformed into macroscopic cracks. A method is proposed for a theoretical estimation of the effective elastic moduli of ceramics with pore structure without resorting to well-known hypotheses for the relation between elastic moduli and porosity of the materials.     

层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究

层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷,广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中,对材料的力学性能有显著的影响.目前,关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究.本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为,对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析.研究发现,层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌,并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷.在中低速度加载下,层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展,为孔洞提供了更宽的形核区域,促进了孔洞的异质成核,造成材料层裂强度大幅度减小.当冲击速度较高时,层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.     

Critical measurements for validation of constitutive equations under shock and impact loading conditions

Interpretation of the data often requires numerical simulations of the experiments and comparisons with the data. However, determination of an appropriate set of values for parameters in constitutive equations valid under shock and high strain rate loading remains one of the most difficult tasks for material model developers. Most researchers employ experimental data obtained under idealized stress/strain states in the model parameter calibration scheme. Since the dynamic response of materials is very complex, especially the failure response, the generality of the model parameters is highly questionable. For example, the fracturing of ceramic materials involves nucleation, propagation, and coalescence of microcracks under shock and impact. The dynamic deformation processes in ceramics include dynamic pore collapse, dislocation generation, twinning, and microcracking. When shocked above the Hugoniot elastic limit, the ceramic deformation becomes inelastic; therefore, the constitutive model formulation should consider modeling the effects of these various processes on the degradation of strength and stiffness of ceramic. This paper presents a brief summary of diagnostic measurements and modeling techniques associated with validation and verification of ceramic constitutive/damage models under high strain rate, shock, and penetration loading applications.     

Orientation dependence in molecular dynamics simulations of shocked single crystals

We use multimillion-atom molecular dynamics simulations to study shock wave propagation in fcc crystals. As shown recently, shock waves along the <100> direction form intersecting stacking faults by slippage along 111 close-packed planes at sufficiently high shock strengths. We find even more interesting behavior of shocks propagating in other low-index directions: for the <111> case, an elastic precursor separates the shock front from the slipped (plastic) region. Shock waves along the <110> direction generate a leading solitary wave train, followed (at sufficiently high shock speeds) by an elastic precursor, and then a region of complex plastic deformation.     

多孔未极化Pb(Zr0.95Ti0.05)O3铁电陶瓷单轴压缩力学响应与相变

通过添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率未极化PZT95/5铁电陶瓷. 采用非接触式的数字散斑相关性分析(digital image correltation, DIC)全场应变光学测量技术, 对多孔未极化PZT95/5 铁电陶瓷开展了单轴压缩实验研究, 讨论了孔隙率对未极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与畴变、相变行为的影响. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的单轴压缩应力-应变关系呈现出类似于泡沫或蜂窝材料的三阶段变形特征, 其变形机理主要归因于畴变和相变的共同作用, 与微孔洞塌缩过程无关. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度都随着孔隙率的增加而明显降低, 而孔隙率对断裂应变的影响较小. 预制的微孔洞没有改善未极化PZT95/5铁电陶瓷材料的韧性, 这是因为单轴压缩下未极化PZT95/5铁电陶瓷的断裂机理是轴向劈裂破坏, 微孔洞对劈裂裂纹传播没有起到阻碍和分叉作用. 准静态单轴压缩下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷畴变和相变开始的临界应力都随着孔隙率的增大而呈线性衰减, 但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率.     

Phase change and stress wave in picosecond laser–material interaction with shock wave formation

When background gas is present in pulsed laser–material interaction, a shock wave down to the nanoscale will emerge. The background gas will affect the phase change and explosion in the target. This study is focused on the void dynamics and stress wave in a model material (argon crystal) under picosecond pulsed laser irradiation. Our results show that existence of ambient gas and the shock wave significantly suppresses the void formation and their lifetime. Void dynamics, including their growing rate, lifetime, and size under the influence of ambient gas are studied in detail. All the voids undergo an accelerating and decelerating process in the growth. The collapsing process is almost symmetrical to the growing process. Higher laser fluence is found to induce an obvious foamy structure. Stress wave formation and propagation, temperature contour, and target and gas atom number densities are studied to reveal the underlying physical processes. Although the interaction of the plume with ambient gas significantly suppresses the void formation and phase explosion, no obvious effect is found on the stress wave within the target. Very interestingly, secondary stress waves resulting from re-deposition of ablated atoms and void collapse are observed, although their magnitude is much smaller than the directly laser-induced stress wave.     

非一维应变冲击加载下高纯铜初始层裂行为

提出了一种锥形靶层裂实验新方法,开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究,讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系.结果显示:1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区,损伤区扩展方向与锥面平行,从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态,从微孔洞独立长大到局部聚集,最后形成宏观裂纹,这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化;2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析,揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的,而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征;3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号,但是通过与内部损伤分布特征对比,揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力,Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率,Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.