磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.      

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术原理、装置及应用

利用脉冲大电流产生随时间平滑上升的磁压,实现对样品的准等熵平面压缩和超高速飞片发射,是近十年来发展和完善起来的一种新型的强动态斜波加载技术(ramp wave loading).本文简述了其原理、加载装置及数据处理方法等方面的研究进展,同时着重评述利用该技术和方法开展高压物态方程、材料动力学响应方面的研究进展,并对该技术在冲击动力学、天体物理和高能量密度物理等方面的应用前景进行了展望.      

基于晶体塑性理论研究铝材料高压高应变率下的强度特性

为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应，重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制，在经典晶体塑性模型的基础上，对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进，建立适用于高压、高应变率加载下的热弹-黏塑性晶体塑性模型。该模型可以较好地描述单晶铝和多晶铝材料屈服强度随压力的变化过程，相比宏观模型，用该模型还获得了多晶Al材料在冲击加载下的织构演化规律，揭示了织构择优取向行为和压力的关系。     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注，但受限于实验设备，金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系，本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar，ESHB) 的非同步加载实验技术，为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中，首先介绍了非同步加载装置的主要特点，即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载，且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程，确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程，数据处理方法和波形分离手段，并对动态加载过程进行应力平衡性分析，论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应，并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明，该材料单轴压缩没有明显的应变率效应，但其包辛格效应具有应变率依赖性，高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17，具有显著的提升，这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。     

磁驱动平面准等熵加载装置、实验技术及应用研究新进展

利用脉冲大电流装置产生随时间变化平滑上升的磁压力,实现对平面、柱面等不同结构样品的磁驱动准等熵（斜波）压缩,为极端条件下材料动力学研究提供了一种偏离Hugoniot状态热力学路径的加载手段。本文从磁驱动准等熵加载装置、实验技术、数据处理方法等方面综述了磁驱动准等熵加载技术研究近十年的新进展,评述了利用磁驱动准等熵加载技术和方法开展极端条件下材料高压状态方程、高压强度与本构关系、相变与相变动力学等方面研究的进展情况,展望了磁驱动准等熵加载技术发展及其在材料动力学、武器物理和高能量密度物理等方面的应用前景。     

高温分离式Hopkinson压杆技术及其应用

本文介绍了在分离式Hopkinson压杆装置上通过使用一种气动同步机构,实现对试样进行高温高应变率加载的技术。利用此技术仅对试样加高温度而保持入射杆和透射杆与试样脱离且处在较低温度,到预定温度时,借助气动同步机构使入射杆、透射杆与试样接触并同时实现对试样加载。利用波形抑制技术,仅对试样实现一次加载,入射杆中的后续二次加载波通过反作用质量块吸收。通过这些技术的结合,1)可以进行材料在高温高应变率下应力应变测试;2)可以测试材料在高应变率不同温度下的等温曲线;3)可以间接对材料的塑性功热转换系数进行测试;4)可以进行不同温度高应变率下的中断跳跃试验等。在文中给出了一些典型的试验曲线和结果,并对测试方法和结果进行了分析讨论。     

爆轰波对碰加载下平面金属样品动载行为实验研究

进行冲击波对碰加载简易平面金属Sn和W样品实验,采用X射线照相和激光干涉测速系统进行联合诊断,给出了2种材料冲击波对碰区表面微喷及主体破碎物质的直观图像,研究了Sn和W样品对碰区动力学行为,并比较分析2种材料对碰区特征的异同,给出了定性物理解释,实验结果可为爆轰波对碰加载下材料动力学特性的理论研究提供数据支撑。     

一种新的高应变率复合压剪实验技术

提出了一种新的基于Hopkinson杆实验技术的在102~103s-1高应变率下实现压剪复合加载的实验装置,并给出了相应的理论分析和数值模拟。为了获取材料在复杂应力下的本构关系,借助斜飞片冲击实验的思想,对Hopkinson杆进行改造,将入射杆的末端改进为截锥形,以便在试样中同时产生压缩和剪切应力。利用有限元分析软件LS-DYNA对试样中的应力波传播进行模拟计算,并利用改进装置进行了初步实验。计算和分析结果表明,利用所设计的装置可以实现对试样的动态压剪复合加载,获得材料在高应变率复杂应力加载下的本构响应,进而建立材料在复杂应力状态下本构行为的描述。     

直撞式霍普金森压杆二次加载技术

利用传统分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验技术来实现试件在较低应变率下的大变形时,需要使用超长的压杆系统,杆件的加工和实验空间限制了该技术的推广应用。鉴于此,提出一种直撞式霍普金森压杆二次加载实验技术,利用透射杆中的应力波在其末端的准刚性壁反射实现对试件的二次加载,并分析了准刚性质量块尺寸对二次加载的影响规律;采用二点波分离方法对叠加的应力波进行了有效分离和计算,在总长4 m的压杆系统中实现了1.2 ms的长历时加载,并可以准确获得试件的加载应变率曲线和应力应变关系。建立了直撞式霍普金森压杆二次加载有限元模型,数值仿真结果表明,该实验技术能有效地实现试件的二次加载,与超长SHPB系统获得的仿真结果相比较,两者的试件应力应变关系完全一致。利用该技术对1100铝合金材料进行动态压缩实验,实现了其在102 s?1量级应变率下的大变形动态力学性能测试。     

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置,加载装置中采用爆炸丝线起爆方式,避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能,利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史,处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系,为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。     

Effects of strain rate and moisture content on the behaviour of sand under one-dimensional compression

The influence of strain rate and moisture content on the behaviour of a quartz sand was assessed using high-pressure quasi-static (10^?3 s^?1) and high-strain rate (10³ s^?1) experiments under uniaxial strain. Quasi-static compression to axial stresses of 800 MPa was carried out alongside split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiments to 400 MPa, where in each case lateral deformation of the specimen was prevented using a steel test box or ring, and lateral stresses were recorded. A significant increase in constrained modulus was observed between strain rates of 10^?3s^?1 and 10³s^?1, however a consistently lower Poisson’s ratio in the dynamic tests minimised changes in bulk modulus. The reduction in Poissons ratio suggests that the stiffening of the sand in the SHPB tests is due to additional inertial confinement rather than an inherent strain-rate dependence. In the quasi-static tests the specimens behaved less stiffly with increasing moisture content, while in the dynamic tests the addition of water had little effect on the overall stiffness, causing the quasi-static and dynamic series to diverge with increasing moisture content.     

准三维针刺C_f/SiC复合材料室温层向动态压缩力学行为的实验研究

为了研究应变率对准三维针刺碳纤维增韧的碳化硅复合材料(Cf/SiC)层向压缩力学性能的影响,本文利用分离式Hopkinson压杆装置对三维针刺Cf/SiC复合材料进行了应变率为10-4至6.5×103s-1的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明,由于材料缺陷,其动态压缩强度分布遵循Weibull分布。破坏时,材料并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度后经历了较大的伪塑性变形才最终破坏。这表明三维针刺Cf/SiC复合材料沿厚度方向针刺的碳纤维有助于提高材料的韧性。同时,材料的压缩强度随应变率的升高显著增大,并与对数应变率近似成线性关系。借助光学显微镜和扫描电镜对压缩断口的观察表明:材料的失效模式随着应变率变化而发生改变。在准静态下,材料主要表现为剪切和分层破坏,而在高应变率下,则主要表现为劈裂。     

材料动态强度直接测量的磁压剪实验技术及应用

提出一种用于直接测量动载荷下材料强度的新方法,即磁驱动压剪联合加载实验技术。从理论和数值计算上分析了压/剪联合作用下材料的应力偏量与屈服强度关系,计算斜波加载下压/剪联合作用时应力偏量与屈服强度的时空演化特性,给出材料强度数值的计算方法。并基于自行研制的强脉冲电流装置和10 T准静态磁场发生器,利用多点双光源外差位移干涉仪(dual laser heterodyne velocimetry, DLHV),开展磁压剪实验对2种铝样品的动态强度进行测量,得到不同加载压力下铝样品的强度。结果表明:磁驱动压/剪联合加载技术为材料的高压强度直接测量提供了一种新途径,是可靠的实验技术。     

循环孔隙水压下混凝土常规三轴压缩损伤破坏特性分析

本文进行了孔隙水压不同循环次数(0次,10次,50次,100次和200次)以及不同应变速率下(10~(-5)/s,10~(-4)/s,10~(-3)/s和10~(-2)/s)混凝土常规三轴压缩试验,分析了混凝土峰值应变的变化规律、应力-应变曲线及损伤特性。结果表明:相同循环次数孔隙水压下,峰值应变随应变速率增加,整体呈现出增加的趋势;而相同应变速率下,峰值应变随孔隙水压循环次数的变化规律并不明显;在中低应变速率(10~(-5)~10~(-3)/s)下,混凝土的损伤变化受孔隙水压循环次数影响较大;当循环次数达到200次时,孔隙水压作用对混凝土产生较大的损伤。通过对循环孔隙水作用下混凝土动态损伤破坏机理的分析可知:混凝土的破坏过程实际上是内部裂纹不断形成、扩展、贯通,材料损伤不断产生、累积的过程;当损伤达到一定程度,混凝土发生宏观破坏,失去承载力。     

Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates

A modified version of the Kolsky thin-wafer technique is described. The method permits one to obtain the dynamic plastic properties of materials at strain rates as high as 10⁵ sec^?1. Data obtained from compression tests on high-purity aluminum are presented for strain rates ranging from 4000 to 120,000 sec^?1 at room temperature. Specimen-size effects and the effect of lateral inertia are taken into account in analyzing the data. The results plotted as stress vs. strain rate at constant strains (5 to 20 percent) show that, at the highest strain rates, the stress rises very rapidly with strain rate suggesting that a limiting strain rate is being reached. At the lower strain rates (10³ to 10⁴ sec^?1), the stress is linearly proportional to the strain rate indicating that the material is deforming in a viscous manner.     

通孔泡沫铝的动态压缩行为

在SHPB装置上对渗流法制备的通孔泡沫铝进行了动态压缩实验,研究了相对密度为0.341~0.419的通孔泡沫铝在10-3~2000 s-1应变率范围内的压缩响应特征和应变率相关性,并用扫描电镜（scanning electron microscope,SEM)分析了泡沫铝的压缩变形特征。实验结果表明,通孔泡沫铝有明显应变率效应,随应变率上升,泡沫铝流动应力提高。SEM观察结果揭示,在动态压缩下,通孔泡沫铝宏观上均匀变形,微观变形机制以泡孔横向伸展坍塌为主。     

High-strain-rate tests on titanium 6-6-2 utilizing a unique rate-testing machine

This paper presents the design of a unique materials-testing system capable of medium strain rates of from 10^?4 to 10²/s. The design incorporates both closed-loop hydraulic operation with that of open-loop pneumatic operation. A novel design permits accurate specimen alignment and a stiff frame which exceeds 17×10⁶ lb/in. (11.7×10⁴ MPa). The mechanine is able to perform conventional tension/compression tests, fatigue tests and, with slight modification, biaxial-stress-tube tests and triaxial-stress tests. The accurate alignment capability coupled with high frame stiffness and the pneumatic operation enables the testing of brittle materials with rigid grips. Titanium 6-6-2 was tested in both tension and compression at strain rates from 10^?4 to about 10/s at four selected temperatures. The material showed a slight strain-rate sensitivity. Yield stress was shown to increase with strain rate while ductility decreased at each test temperature.     

低应变率下硅铝质泡沫陶瓷复合材料的力学性能研究

以泡沫陶瓷复合材料在防护工程中的应用为背景,利用MTS(Material Test System,材料试验机)对该型材料进行了准静态压缩实验。得到了应变率在10-5~10-3s-1范围内的应力应变曲线,并对实验结果进行了理论分析和数值模拟。研究表明,泡沫陶瓷复合材料的力学性能在准静态一维应力压缩条件下显示出明显的应变率效应,同时其应力应变曲线可用一种经验的脆性材料本构模型进行较好地拟合。而在一维应变压缩条件下,材料的应力应变曲线则显示出明显的三段式特征:弹性段、平台段和密实段,同时材料的吸能幅值随着应变率的增大而增加。     

Direct laser-driven ramp compression studies of iron: A first step toward the reproduction of planetary core conditions

The study of iron under quasi-isentropic compression using high energy lasers, might allow to understand its thermodynamical properties, in particular its melting line in conditions of pressure and temperature relevant to Earth-like planetary cores (330–1500 GPa, 5000–8000 K). However, the iron alpha-epsilon solid–solid phase transition at 13 GPa favors shock formation during the quasi-isentropic compression process which can depart from the appropriate thermodynamical path. Understanding this shock formation mechanism is a key issue for being able to reproduce Earth-like planetary core conditions in the laboratory by ramp compression. In this article, we will present recent results of direct laser-driven quasi-isentropic compression experiments on iron samples obtained on the LULI 2000 and LIL laser facilities.