局部淬火对金属柱壳动态断裂行为的影响

采用高能束局部淬火技术对金属柱壳进行预制破片,结合淬硬层组织和性能的变化特征,对内部爆炸载荷作用下壳体的动态断裂行为进行了研究,并将其与壳体自然破碎结果进行了对比。实验结果表明:壳体局部由于快速熔化-凝固导致相变,形成淬硬层,其组织主要为针状马氏体,晶粒细化,硬度提高约64%,但冲击功下降15.4%~35.0%,脆化倾向明显;淬硬层对剪切带形成敏感性有着明显影响,壳体基本沿淬硬层断裂并发生破碎,破片形状规则,质量范围为0.2g~0.3g的有效破片比重接近90%,远高于自然破碎的有效破片比重(35%)。     

聚醚醚酮壳体战斗部爆破威力试验

为了验证聚醚醚酮（polyether ether ketone, PEEK）作为低附带毁伤战斗部壳体材料的可行性,设计了等厚度聚醚醚酮壳体和2A12铝制壳体作为爆破战斗部外壳。通过静爆威力对比试验,并结合峰值超压测试及高速摄影技术,对超压、比冲量及破片情况进行综合分析。试验结果表明,相同壳体厚度的聚醚醚酮壳体战斗部较2A12铝壳体战斗部质量减轻了一半以上,对人员超压毁伤半径几乎一致,聚醚醚酮壳体战斗部爆轰能量更多转化为冲击波能,且随着比例距离增加,比冲量高于2A12铝;聚醚醚酮壳体在爆炸载荷作用下破碎形成小破片,试验后仅回收到一枚边缘烧蚀的破片。可认为破片飞散时在爆轰产物高温高压作用下全部燃烧,聚醚醚酮壳体不产生杀伤破片,破片附带损伤小。战斗部壳体可采用聚醚醚酮材料,有效控制毁伤范围,满足城市作战中低附带毁伤效果需求。     

不同热处理条件下45^#钢柱壳膨胀断裂研究

对不同热处理条件下的45^#钢样品进行静态力学性能测试，采用高速摄影技术对相应状态的柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂过程进行研究，并对回收破片进行金相分析。结果表明：回火温度对45^#钢壳体的静态力学性能产生明显影响；相应柱壳的动态膨胀断裂性能也有明显差别。     

内部爆轰加载下的钢管膨胀断裂研究

采用一种改进后的前照明分幅摄影技术,研究了45号钢管在三种不同猛度炸药加载下的膨胀断裂行为,得到了与材料动态断裂行为有关的一些参数值。还结合壳体材料性质及载荷强度,对破片的断裂特征及尺度分布进行了讨论。     

圆柱壳体装药偏心多点起爆下破片速度的分布

针对偏心起爆战斗部破片速度增益的问题,提出爆轰波碰撞形成马赫超压是引起破片速度增加的原因。利用AUTODYN软件,模拟偏心起爆战斗部从壳体径向膨胀、表面产生裂纹到最后形成破片的整个过程,并将模拟得到的破片速度与实验数据对比,两者吻合较好;简化Whitham方法并结合Gurney速度公式得到偏心起爆战斗部定向破片速度和定向区域的计算方法,同时在保证破片初速的前提下,研究偏心多点起爆下起爆点数的选择标准。研究结果表明:偏心多点起爆下定向破片初速增益约34%,定向区域范围约30°,起爆点数的选择与壳体长度和装药口径相关。     

壳体对爆炸空气冲击波强度的影响

壳体对爆炸空气冲击波强度有重要影响，本文提出一种计算壳体破片速度的新方法，分析了壳体对爆炸空气冲击波强度的影响。本文指出，壳体对爆炸空气冲击波强度的影响取决于产生壳体破片部位的壁厚(质量)，而不是壳体的全部质量。这反映了实际情况，也是本文的特点所在。通过重量和形状相同的两种装药爆炸空气冲击波对模拟目标的毁伤实验，考查了本文理论分析结果的可靠性。理论分析与实验结果相吻合。本文得到弹体破片最大速度的上限和下限。破片速度与壳体厚度有关，壳体越厚或质量越大．对空气冲击波强度的影响越显著。     

壳装炸药殉爆实验和数值模拟

进行了壳装固黑铝炸药殉爆实验,通过观察残留炸药、壳体和见证板变形,判断被发炸药的爆炸情况,得到了炸药临界殉爆距离。建立了壳装炸药殉爆实验计算模型,采用非线性有限元计算方法,对壳装固黑铝炸药殉爆实验进行了数值模拟。计算中采用预设壳体单元破片方法描述主发炸药壳体破片的形成和破片对被发炸药的撞击起爆,炸药临界殉爆距离的计算结果与实验结果基本一致。主要是主发炸药中部的壳体破片撞击到被发炸药,被发炸药起爆位置也在装药中部。炸药壳体厚度主要影响破片速度和质量、被发炸药的防护性能,从而影响炸药临界殉爆距离。 更多还原     

爆轰加载下金属壳体膨胀断裂应变的测定方法

简要介绍了爆轰加载下金属柱壳膨胀断裂应变的传统测试方法,探索性地提出了由晶粒尺寸变化推算断裂应变的细观方法和利用锰铜计测试破片碰靶压力脉宽推算断裂应变的压力脉宽法。对几种测试方法进行分析比较,指出各方法的优点及局限性,提出利用速度历史来确定壳体断裂应变的测定方法。     

壳体外表面刻槽对杀爆战斗部破片速度的影响

在所述试验装置条件下，试验结果表明：槽深临界值Ｐｃ不小于１／２壳体壁厚，只要满足槽深值Ｐ〈Ｐｃ，则破片速度将随Ｐ值增加而呈上升趋势，且与刻槽网格元和槽口形状无关；战斗部壳体外表面的合理刻槽不但可有效控制破片形状和大小，而且不会降低破片速度和炸药能量利用率。     

爆炸金属管绝热剪切断裂的细观研究

介绍了正火及调质后45号钢、TC4钛合金和钨合金四种金属管在内部高能炸药加载下,破片宏观剪切断口的细观断裂形貌;观察到这四种金属管不同的细观剪切断裂机制。根据金相研究及物理分析表明,金属材料的热导率越低,晶粒越细,则越容易产生绝热剪切,生成相变带。     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的干摩擦学性能对比研究

本文以商业Ti-6Al-4V合金为参照,考察了Ti-46Al-2Cr-2Nb(原子比)金属间化合物在不同载荷和速率下的干摩擦学行为,结果表明:Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的摩擦系数几乎相同,而Ti-46Al-2Cr-2Nb金属间化合物比Ti-6Al-4V具有更好的抗磨性;Ti-46Al-2Cr-2Nb和Ti6Al4V合金的磨损率均随载荷的增加而增加,Ti-46Al-2Cr-2Nb合金磨损率随滑动速率增加而增加,Ti-6Al-4V合金磨损率却随滑动速率增加呈下降直至稳定的趋势;Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的磨损机制主要为疲劳磨损,Ti-6Al-4V合金的磨损机制为塑性变形,犁沟和剥落.     

Ti-6Al-4V弹体破坏模式对冲击反应的影响研究

Ti-6Al-4V材料是武器结构轻量化时的重要替代材料,其冲击反应将可能增加战斗部毁伤威力,但目前缺乏对其冲击反应条件及反应机理的研究。本文将采用试验与理论分析方法,研究结构破坏模式对Ti-6Al-4V材料冲击反应的影响,获得其冲击反应条件及反应机理。设计并开展了钛合金弹（头部与壳体均为钛合金）与复合弹（头部碳/碳复合材料、壳体空心钛合金圆柱）正侵彻混凝土试验,撞击速度在222~1008 m/s之间。钛合金弹激发了剧烈的氧化冲击反应,但复合弹未产生冲击反应。破坏模式宏细观分析显示,钛合金弹侵彻后宏观结构基本完整,仅表面发生摩擦磨损,以细观组织剪切变形为主要失效模式,形成尺寸在微米量级至百微米量级的颗粒碎片,碎片个数可高达3×106。复合弹的钛合金空心圆柱被撕裂成块,撕裂面沿剪切带方向发展,碎块尺寸在毫米或以上量级,个数至多百余个。碎片供氧和供热的效率均与碎片尺寸成反比,而特定供氧与供热条件下,碎片尺寸足够小是Ti-6Al-4V材料发生冲击反应的必要条件,这是钛合金弹发生冲击反应而钛合金空心圆柱无法激发冲击反应的本质原因。在具备冲击反应必要条件的前提下,碎片个数越多,冲击反应烈度越高。     

双相钛合金Ti‑6Al‑4V微观缺陷疲劳演化的片层结构分布效应

本文研究疲劳载荷作用下双相钛合金Ti-6Al-4V中片层结构对微观几何缺陷区域演化的影响．基于晶体塑 性有限元(Crystal Plasticity Finite Element, CPFE)理论,建立含微观椭圆缺陷的双相片层代表性体积单元 (Representative Volume Element, RVE)模型,通过调控缺陷附近的微观组织形貌,使缺陷两端分别出现单相结构和 片层结构,以突出双态合金中片层结构分布对微观缺陷演化的影响．模拟结果表明,位于微观缺陷两侧的晶粒, 片层结构的应变敏感性更大,应变沿缺口环向和沿晶内均呈不连贯波动．片层结构通过调节晶内应变,扩大承载 范围,可提高双相钛合金的抗疲劳特性．这一研究结果可为双相钛合金的疲劳裂纹萌生提供一个新的解释途径     

爆炸金属管的绝热剪切断裂宏观研究

本文介绍了45号钢、TC4钛合金及WTG05钨合金三种金属管在内部爆炸载荷下的宏观剪切断裂行为,并对此作了一些初浅的分析,提到了实验中发现的钛合金的一种反常单向性剪切起裂现象,同时发现该钨合金在爆炸应变率下表现为脆性断裂。     

网纹型表面微结构对Ti-6Al-4V水润滑摩擦学特性的影响

研究了Ti-6Al-4V合金表面网纹型微结构与Si3N4小球对摩时的水润滑摩擦学性能.利用电火花加工技术在Ti-6Al-4V合金表面加工出不同尺寸的网纹结构,运用正交试验设计方法分析了网纹宽度、深度、间宽比和网纹角度对Ti-6Al-4V合金水润滑摩擦学性能的影响.结果表明:具有合适几何参数的网纹结构能够降低摩擦副在水润滑条件下的摩擦系数和磨损量.当网纹角度在45°时,摩擦副的摩擦系数和磨损量能同时降低.网纹宽度对稳态摩擦系数的影响最大,而网纹深度和夹角对摩擦副材料的磨损影响最大.     

航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究1）

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V 随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V 材料在10⁷ 循环周次以上同样会发生疲劳破坏. 采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略. 通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.     

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过104 s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。     

TiSiN/Ag纳米多层涂层海水环境磨蚀性能研究

本文中采用多弧离子镀系统在Ti-6Al-4V合金(TC4)上沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层. 使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,并使用纳米压痕测试其硬度. 用Rtec MFT500摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试. 结果表明:涂层具有致密的结构和清晰的多层界面,TiSiN层与Ag层交替沉积,涂层中包含TiN、Ag和Si₃N₄相,非晶Si₃N₄包裹纳米晶TiN. 相比TC4合金基体,沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层后,摩擦系数在大气环境和海水环境均能下降0.15以上,磨损率降低两个数量级. 人工海水中摩擦状态下材料出现腐蚀摩擦交互作用,主要损耗形式为腐蚀对磨损的促进,TiSiN/Ag纳米多层涂层的耐磨蚀性能远优于基体材料.      

Elastic–plastic analysis of two-dimensional functionally graded materials under thermal loading

The two-dimensional functionally graded materials, (2D-FGMs) have been recently introduced in order to significantly reduce the thermal stresses in machine elements that subjected to sever thermal loading. To the author’s knowledge no work was found that investigates the elastic–plastic stress analysis for 2D-FGMs. In the current work, a 3D finite element model of 2D-FGM plates made of ZrO₂, 6061-T6 and Ti-6Al-4V with temperature dependent material properties has been proposed to perform such analysis. An elastic plastic stress–strain relation based on the rule of mixture of the 2D-FGM has been introduced in the model. Also, a 3D finite element model of conventional FGM plates, of ZrO₂/Ti-6Al-4V and ZrO₂/6061-T6, with temperature dependent material properties has been proposed for the investigation of these plates too. Then, elastic–plastic stress analysis of the considered four plates (two conventional FGMs and two 2D-FGMs) under the same transient cyclic heating and cooling was carried out. It was found that heat conductivity of the metallic constituents of FGM has great effect on the temperature distributions that resulting from the thermal loads. Minimum temperatures variation and minimum stresses can be obtained using ZrO₂/6061-T6/Ti-6Al-4V 2D-FGM. Also, the results indicate that only ZrO₂/6061-T6/Ti-6Al-4V 2D-FGM can stand with the adopted sever thermal loading without fracture or plastic deformations.