高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

晶体塑性有限元在材料动态响应研究中的应用进展

作为连续尺度上描述各向异性非均质材料弹塑性变形的重要模拟工具,晶体塑性有限元能够有效预测材料的宏观力学性能,在工程设计方面起着重要的作用。在实际工程应用中,许多晶体材料在高应力、高变形率、高温等极端条件下服役,此时各向异性非均匀的微介观结构演化是理解材料动态响应的关键,这给晶体塑性有限元带来了巨大的机遇和挑战。首先简要综述了晶体塑性有限元的原理和方法,然后着重介绍其在材料动态响应中的应用,最后展望其在材料动态响应模拟方面的发展方向。     

绝热剪切变形中温升现象的研究进展

材料温度升高是绝热剪切现象的重要特征,研究绝热剪切中的温升对于深入了解绝热剪切失效的形成机制和演化历程具有重要意义,同时对预测材料和结构的动态失效具有重要的实用价值。一般而言,绝热剪切过程中的温升可以分为3个阶段:均匀变形阶段的温升、剪切局部化引起的温升、剪切带形成后热传导引起绝热剪切带附近的温升。本文从理论计算、数值模拟、实验测量和微观组织演化4个方面对绝热剪切中的温升相关研究进行了综述。通过对已有文献的系统整理和总结,以期为开展后续绝热剪切失效相关研究工作给出一定的启发和参考。     

基于圆柱形非均匀迷宫结构的动态可调定向声辐射

构造了一种圆柱形四通道非均匀迷宫结构,利用该结构设计的圆环型超构材料能够实现动态可调的定向声辐射.所构造的圆柱形非均匀迷宫结构具有偶极子共振特性,在偶极子共振频率附近,声波能够从两个占比较大的扇形通道开口向外辐射,此时的圆柱形非均匀迷宫结构可近似地看作一个偶极子源.当圆柱形非均匀迷宫结构围绕圆心进行旋转时,所形成的偶极子源的位置和向外辐射声波的方向也随之发生改变.将点声源放置在由18个非均匀迷宫结构组成的圆环型超构材料的中心,调节圆柱形非均匀迷宫结构的旋转角度,使各微结构处于导通或截止状态,从而控制点声源在各个方向上的传播特性,实现具有动态可调特性的定向声辐射.此外,研究了圆柱形非均匀迷宫结构旋转角度对透射声波的影响,探究了微结构的开关效应,为构造简易的声定向辐射设备提供了新思路.     

强流脉冲电子束辐照诱发纯钼表面的损伤效应及结构缺陷

利用强流脉冲电子束（HCPEB）装置对纯钼表面进行辐照处理,并利用X射线衍射仪,扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）详细分析了辐照表面的微观结构和损伤效应. 1次HCPEB辐照后,纯钼表层积聚了极大的残余应力,多次辐照后表面未融化区域出现大量绝热剪切带,且局部区域发生开裂. 微观结构分析显示,辐照后材料表面形成发散状的位错组态和大量空位簇缺陷;绝热剪切带内部是尺寸为1 μm 左右等轴状的再结晶晶粒. 剪切带造成的材料表面局部软化以及间隙原子偏聚于晶界是材料发生开裂的主要原因. 另外,表面熔化区域可形成尺寸为20 nm左右的纳米晶. 关键词： 强流脉冲电子束 纯钼 绝热剪切带 空位簇缺陷     

结构钢中绝热剪切带形成与扩展的光学观测与数值模拟

绝热剪切带(Adiabatic Shear Band,ASB)是许多金属材料在冲击载荷作用下发生破坏的主要原因之一,它是近年来冲击动力学和损伤力学研究的前沿和热点。相关的理论研究主要针对一维剪切条件,分析应力、应变、剪切速度、材料热物理和力学性能、初始缺陷大小之间的关系,得到一个由多个物理量组合而成的量来判别材料出现剪切带的难易。ASB的实验主要利用Hopkinson压杆、扭杆、压剪炮等加载技术,研究钛合金、钨合金、高强结构钢等材料的剪切带特征,包括局部温度和变形分布、剪切带出现的阈值等。但是,对剪切带演化过程的在位观察及其动态实时演化的研究还较少见,妨碍了人们对由于剪切局部化而导致的材料破坏机理的深入认识。针对45钢,在Hopkinson压杆上,开展了不同冲击加载条件下剪切带演化过程的在位观察及可视化研究。利用自行设计的高分辨力的光学观测系统和基于数字相关理论的图像处理软件,捕捉了单一试样在冲击加载条件下ASB逐渐形成和扩展的过程。同时,利用LS-DYNA商业程序对试样的冲击压缩过程进行了数值模拟,所得主要结果与实验观测基本一致。     

不同力学激励形式探索La基非晶合金微观结构非均匀性

非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间本征关联,是固体力学研究领域至今未能很好解决的重要科学问题之一.单一力学激励形式并不能有效地描述非晶合金微观结构非均匀性,特别是结构与动力学的关联.如何探索非晶合金结构信息,须将诸多因素综合,在不同力学激励下研究非晶合金微观结构非均匀性与变形机理.本研究以La₆₂Cu₁₂Ni₁₂Al₁₄非晶合金为模型体系,利用动态力学分析仪研究非晶合金动态弛豫行为.基于准点缺陷模型,对模型合金体系α弛豫和β弛豫进行了分离.借助于拉伸应变率跳实验,探索非晶合金高温流变行为.确定非晶合金塑性流变过程中弹性、滞弹性以及塑性变形的贡献.本研究从非晶合金动态力学弛豫行为和宏观塑性流变行为出发,尝试揭示微观非均匀性对非晶合金在不同激励形式中缺陷的激活、扩展和融合的物理本质.     

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.     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

一维应变压缩下TC4钛合金绝热剪切研究

 利用内径为57 mm的压缩气炮，在撞击速度为0.2~1.2 km/s（相应的靶中压力为3~15 GPa）范围内进行对称碰撞实验，以研究TC4（Ti-Al6-V4）钛合金在一维应变冲击压缩条件下的绝热剪切现象。对回收得到的受冲击样品，在扫描电镜（SEM）下进行细观金相分析。结果指出，一维应变冲击压缩条件下，TC4钛合金中绝热剪切带产生的对称碰撞速度阈值为500 m/s（相当于样品中的压力为5.87 GPa）；主剪切带与冲击方向约为45°角，带上有圆形和椭圆形两种孔洞且随碰撞速度的增大而增多和长大，这是典型的韧性损伤特征。随碰撞速度增大，产生与主剪切带成15°角的支剪切带。这些与理论预言相符。X射线能谱分析结果指出，剪切带内材料发生了(α+β)→β相的转变，是典型的相变带。剪切带的温度估算与实验提供的信息吻合。     

极低温下Nb3Sn超导体单晶裂纹动态扩展模拟

研究Nb₃Sn超导体的损伤断裂行为对于揭示超导临界性能弱化背后的力学机制具有重要的意义。采用分子动力学模拟方法,研究了极低温下不含裂纹和含中心裂纹的Nb₃Sn单晶在力学拉伸变形作用下的断裂机制和裂纹扩展行为,同时分析了应变率效应对Nb₃Sn单晶断裂机制与裂纹扩展行为的影响。结果表明：不含裂纹的Nb₃Sn单晶在结构受力后出现滑移,滑移带上位错塞积导致应力集中,应力集中使原子键断裂从而萌生裂纹致使Nb₃Sn单晶断裂;而含中心裂纹的Nb₃Sn单晶则由于裂纹尖端应力集中使得原子键断裂形成微裂纹,裂纹扩展致使Nb₃Sn单晶断裂。Nb₃Sn单晶在不同的应变率下表现出不同的断裂机制,在低应变率下表现为脆性断裂,而在高应变率下表现为韧性断裂。     

爆炸烧结制备W-Al含能结构材料及其准静态压缩特性研究

通过爆炸烧结法,采用不同粒度的W、Al混合粉末,成功制备了近乎致密的W-Al含能结构材料(ESM)。研究发现:冲击波压力是粉末致密化的主导因素,粉末粒径对烧结密度和微观结构的影响显著,W的粒径越小,颗粒团聚越明显,从而阻碍致密化,在致密块体中形成连续分布的W相。所制备样品的最大抗压强度和失效应变分别达到288 MPa和20%,材料的力学性能和断裂模式主要取决于连续相,Al相连续的ESM抗压强度低、塑性较好,呈轴向劈裂破坏;而W相连续的ESM则表现出脆性和高抗压强度,破坏模式为剪切破坏,与Al的低强度高塑性和W高强度脆性特性一致。     

局部塑性变形下铁基金属玻璃的致密化和非均匀性增强

本文研究了经局部塑性变形后, Fe₇₈Si₉B₁₃金属玻璃在原子尺度上的结构演变及其对合金显微硬度的影响.借助砂纸作为传力的媒介,充分放大了作用于带材表面上的等效压力,发生塑性变形后合金表面产生了大量的剪切带.基于倒空间和实空间的同步辐射X射线衍射分析,在塑性变形后,合金结构的致密度增大,过剩自由体积被排出,并由此揭示了Fe₇₈Si₉B₁₃金属玻璃在短程及中程尺度上原子协同重排行为.结合高分辨透射电子显微镜观察的结果, Fe₇₈Si₉B₁₃金属玻璃在发生塑性变形后,结构不均匀的程度将会加剧.此外,不同于单轴加载下金属玻璃的加工软化, Fe₇₈Si₉B₁₃金属玻璃在发生局部塑性变形后,维氏硬度增大,表现出局部的加工硬化行为.从自由体积的角度看,合金表面的大量剪切带可能是由于剪切带影响区域的重叠和交叉发生相互作用,并加速原子迁移,...     

锆基非晶合金的动态弛豫和应力松弛

非晶合金动态弛豫、变形和微观结构非均匀性之间的关联是非晶态物理领域重要研究内容之一.本文选取玻璃形成能力优良,热稳定性好的Zr₄₈(Cu_5/6Ag_1/6)₄₄Al₈块体非晶合金作为研究载体,借助于动态力学分析及应力松弛实验探究了温度和结构弛豫对非晶合金动态弛豫和变形行为的影响.研究结果表明非晶合金动态弛豫行为对温度极其敏感,随温度升高表现为等构型、老化、玻璃转变和晶化4个阶段.基于玻璃转变温度之下等温测试,结构弛豫行为导致非平衡高能量状态非晶合金向低能量状态迁移,内耗随时间演化规律可用Kohlrausch-Williams-Watts (KWW)扩展指数方程描述.此外,基于KWW方程和激活能谱等方法分析了模型合金应力松弛过程中非均匀结构激活,该过程涉及弹性变形向非弹性变形的转变.由于非晶合金存在微观尺度的结构非均匀性与能量起伏,变形单元的激活并非为单一特征时间,而是服从一定分布.通过考虑对数时间尺度和变形单元激活的特征时间分布分别为对称Gauss分布和非对称Gumbel分布,可...     

冲击压缩下蓝宝石单晶散射消光的理论计算

考虑局部温升会引起折射率的变化,对蓝宝石体材及其内部绝热剪切带的折射率进行了理论计算。计算结果表明,绝热剪切带以及周围体材的折射率均随波长的增加而减小,并且二者之差在80GPa、99GPa、132GPa、183GPa和255GPa五个压力点处均高于0.02。在此基础上,本文提出并建立了冲击绝热剪切带散射消光的物理模型,并采用离散偶极子近似方法计算了蓝宝石在上述五个压力点处的散射消光谱。计算的散射截面随波长和压力的增加而减小;在计算出剪切带数密度后,所得散射系数与实验数据定性相符。本文研究取得的蓝宝石散射消光认识对于理解脆性材料动态变形的微细观机理及其冲击透明性变化具有一定的参照价值。     

冲击压缩下蓝宝石单晶散射消光的理论计算

考虑局部温升会引起折射率的变化,对蓝宝石体材及其内部绝热剪切带的折射率进行了理论计算。计算结果表明,绝热剪切带以及周围体材的折射率均随波长的增加而减小,并且二者之差在80GPa、99GPa、132GPa、183GPa和255GPa五个压力点处均高于0.02。在此基础上,本文提出并建立了冲击绝热剪切带散射消光的物理模型,并采用离散偶极子近似方法计算了蓝宝石在上述五个压力点处的散射消光谱。计算的散射截面随波长和压力的增加而减小;在计算出剪切带数密度后,所得散射系数与实验数据定性相符。本文研究取得的蓝宝石散射消光认识对于理解脆性材料动态变形的微细观机理及其冲击透明性变化具有一定的参照价值。     

高温SHPB冲击实验技术及其应用

 为研究高温下材料的动态力学性能,研制了一套适用于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB）高温冲击实验的温控系统。利用该温控系统和Φ100 mm常规SHPB装置,对混凝土在高温下的动态力学性能进行了实验研究,实验温度分别为20、200、400、600、800和1 000 ℃。结果表明：由管式实时加热装置和箱式预加热炉组成的温控系统操作方便,实验效率高,试件组装方法简便可行;热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果产生的影响可以忽略,实验技术可靠;高温下混凝土动态力学性能的温度效应十分明显,相同冲击速率下,随温度升高,平均应变率逐渐增大,动态应力-应变曲线逐渐表现出塑性特性,动态抗压强度随温度升高先增大后减小,动态峰值应变随温度升高不断增大。     

基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控

提出了一种基于石墨烯带的太赫兹波段的1 bit编码超构材料,可以实现太赫兹波束的数目、频率、幅度等参数多功能动态调控.该结构由金属薄膜、聚酰亚胺、硅、二氧化硅、石墨烯带组成.通过对石墨烯带施加两种不同的电压,可以实现一定频率范围内相位差接近180?的"0"和"1"数字编码单元,进而构成1 bit动态可控的编码超构材料.全波仿真结果表明,不同序列的编码超构材料能够实现波束数目从单波束、双波束、多波束到宽波束的调控.相同序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压能够实现宽频段波束频率的偏移.对于000000或者111111周期序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压还能够实现波束幅度的调控.因此这种基于石墨烯带的编码超构材料为灵活调控太赫兹波提供了一种新的途径,将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.     

三维材料微结构设计与数值模拟

为了研究材料细观尺度的力学性能与失效行为,达到对材料微结构的“性能导向型”设计与性能预测的目的,通过程序设计结合有限元数值模拟的方法实现多元多相异质体材料微观组织结构的计算机仿真、材料微结构的细观力学计算与虚拟失效分析.以材料微观组织结构计算机仿真软件ProDesign构造的多晶体材料与多晶体基复合材料微结构的代表性体积单元为基础,基于对商业有限元软件ABAQUS的二次开发,实现对材料微结构细观力学的数值计算,并根据数值模拟结果预测微结构的材料性能,识别“材料结构弱点”,评估异质体材料微结构内微裂纹的启裂 关键词： 材料微结构 数值模拟 各向异性 虚拟失效     

超过饱和固溶W-B合金力学性质的第一性原理研究

针对小原子元素在金属合金中可同时提高硬度和韧性的现象,本文采用基于第一性原理方法,研究了W-B合金的超过饱和固溶结构和力学性能.计算结果表明：无论是几何结构的晶格畸变,还是热力学上的结合能,B原子以置换形式固溶于W晶体中均优于其他固溶形式,这主要是由于置换B原子与周围W原子形成以共价型为主兼有离子型的键合作用.在合金中添加B元素虽然降低了合金材料的弹性模量,杨氏模量由414.34 GPa降低至338.36 GPa,但却显著增加了材料的韧性,B/G值由1.97提高到2.30(纯W晶体相较于B含量6.25 at.%时).并且合金的各向异性显著地减弱.另外,合金中B元素的添加,还使得材料理想剪切强度和最大应变值也得到了增加,分别由原来的19.981 GPa和0.187增加至21.814 GPa和0.209.这说明B元素在W合金中的超过饱和固溶不仅增加了合金的强度,还提高了合金的韧性.