不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

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。     

建筑织物膜材双轴剪切试验与分析

为了研究建筑织物膜材的剪切力学性能,提出一种新的剪切测试方法。采用中心区域宽度和四臂长度均为16cm的十字形试件,试件纱线的经纬向与加载方向呈45°角。根据膜材变形和应力关系,推导了剪应力和剪应变的计算方法。定义了使试件中心区域产生三个循环剪应力场的加载谱,循环产生正负交替的剪切应力。试验采用表面抛光的(Polyvinylidene Fluoride,聚偏氟乙烯)涂层膜材,测量x、y两个方向的应力和应变,通过计算得到剪切应力应变曲线,并对试验结果进行分析。结果表明,新的剪切测试方法能够反映建筑织物膜材剪切力学性能。最后通过有限元方法模拟材料受剪状态下的应力和应变,与试验得到的应力值和应变值相近。     

TC4在动态载荷下的剪切行为研究

使用分离式霍布金森压杆(SHPB)对2种TC4(Ti-6Al-4V)试样(单边剪切试样与双边剪切试样)在应变率104 s-1下进行动态剪切加载，利用SIM D8高速照相系统捕捉了绝热剪切带扩展的整个历程，得到了TC4在拍照时刻的应力应变曲线；使用金相显微镜和SEM扫描电镜对TC4绝热剪切带的微观形貌进行观察，发现绝热剪切带宽度为5~12 μm，断口从韧窝断裂演变为解理断裂，可观测到韧窝状与河流花样断口形貌，但是并未看到相变的发生；对2种试样就产生绝热剪切带的形式与敏感性进行了分析，实验表明双边试样更易产生绝热剪切带；通过高速照相系统的标定换算，得到TC4绝热剪切带产生的临界剪切应变在78%~88%之间。在SHPB动态加载条件下，TC4绝热剪切带的扩展速度在460~1 250 m/s之间，且应变率越高，剪切带扩展越快，扩展平均速度与名义应变率近似呈线性关系；另外，在同一加载速率下，剪切带并不是匀速扩展，其扩展速度随载荷的增加而不断增加。     

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。     

沉积方向和粒径组成对砂土力学特性的影响

运用砂土毛细效应所形成的假凝聚力制备具有不同沉积方向的试样,开展三轴固结排水剪切试验,研究粒径组成对初始各向异性砂土力学特性的影响,分析了粒径组成、沉积方向、强度特性和体积变化之间的相互关系。研究结论表明,试样剪切带的形成受到颗粒级配的影响,它是应力应变关系中陡降阶段的产生原因。沉积方向对粗砂和细砂的偏应力峰值强度均有影响,对残余强度的影响受制于颗粒级配。沉积方向与试样破坏面接近时,试样强度低、剪胀变形小且更容易破坏,粒径组成对砂土三轴剪切力学特性的影响更显著。     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

压缩-剪切复合应力下PMMA材料的静态力学特性研究

通过压缩具有一定倾斜角(0°,10°,15°,20°和25°)试件和双剪切模型试件,实现了单轴压缩、压缩-剪切复合应力以及纯剪切三种应力状态,得到PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在相应应力状态下的应力-应变曲线,同时对不同应力状态下试件的破坏模式进行了分析。结果表明:在不同受力环境中材料的强度和破坏的机理不同;同单轴压缩状态下相比,材料在压缩-剪切复合应力状态下屈服极限、强度极限以及破坏应变均不同程度的增大,呈现明显的"剪切增强"现象。单轴压缩与压缩-剪切应力状态下试件的破坏模式均为在试件短对角面上出现明显的剪切屈服带,由应力分析得出试件剪应力在短对角面上达到最大,引起在此平面上分子链间滑动从而产生应变软化形成剪切屈服带;双剪切试件的破坏模式为与剪切面呈45°的斜面。     

帽型试样动态绝热剪切破坏演化分析

利用分离式霍普金森压杆加载Ta2钛合金扁平闭合帽形受迫剪切试样,结合数字图像相关法和“冻结”试样的微观金相观察,研究剪切区剪切应变的演化、绝热剪切带形成条件等。结果显示：受迫剪切试样在动态加载过程,剪切区剪切应变不断集中,形成绝热剪切带,裂纹沿绝热剪切带发展;随加载率提高,绝热剪切起始临界应变减小;进一步利用数字图像相关法DIC场应变分析及金相微观观测对比,利用卸载回复特性对绝热剪切带起始临界条件进行了讨论,计算的绝热剪切带起始时温升仅为86℃。材料软化可能不是绝热剪切带起始的控制条件,相反是由于绝热剪切带形成造成的应变高度集中发展导致温度急剧升高。     

再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响

使用二辊轧机对TA2工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理,制备了冷轧总变形量为70%的TA2纯钛板。通过对冷轧TA2纯钛板进行500℃加热、不同保温时间的退火处理,获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽形试样和限位环变形控制技术,在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击冻结实验,结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化,研究了再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明,随着退火保温时间的延长,试样再结晶晶粒占比逐渐增大,晶粒分布由分散向局部聚集转变;在相同应变和应变率下,在所有试样中都观察到了绝热剪切带,再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化,结合剪切区整体温升分析发现,再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成,而剪切带发展后期产生的绝热温升会促进剪切带内材料发生二次再结晶,提高剪切带内材料的韧性,延缓剪切裂纹的形成。     

应变率历史对应力应变曲线的影响

利用普通SHPB实验系统、双试件SHPB实验系统，对一特种钢材进行了不同应变率历史的动态压缩实验，获得了不同应变率历史所对应的应力应变曲线。通过量化平均应变率相同的情况下不同应变率历史所对应的应力应变曲线的差别，以及量化应变率历史的恒定程度，初步分析了应变率历史对应力应变曲线的影响。研究结果表明:特别是在较高平均应变率下，应变率历史对试件材料的应力应变曲线有明显的影响，在材料动态本构关系研究中应当考虑应变率历史的影响。     

粗骨料粒径对混凝土动态压缩行为的影响研究

粗骨料作为混凝土材料组成最主要的部分,对混凝土力学性能和破坏模式有着很重要的影响。为了研究粗骨料平均粒径对混凝土动态力学性能的影响规律,针对不同平均粗骨料平均粒径（6、12、24 mm）的混凝土和砂浆材料进行了一系列SHPB试验,得到了不同应变率下各试件的应力-应变曲线,并对每种材料的动态增长因子（dynamic increase factor,DIF）与应变率的对数进行了线性拟合。结果表明:砂浆和混凝土材料的抗压强度具有明显的应变率效应,其动态抗压强度随着应变率的增加而逐渐增大,应力-应变曲线呈现相似的变化趋势;在相同的动态应变率条件下,平均粗骨料粒径为12 mm的混凝土的动态抗压强度最大,这与准静态条件下砂浆抗压强度最大截然不同;不同粗骨料粒径混凝土材料的应变率强化系数均大于砂浆材料,且随着粗骨料无量纲尺寸的增大,混凝土材料的应变率强化因子呈现先增大后减小的趋势。     

三轴试验土样剪切破坏过程的判别

本文在土工三轴试验中应用土样全表面变形数字图像测量系统,通过跟踪包裹土样的橡皮膜表面的标记点,得到加载过程中其全表面的变形和应变分布。根据土样表面的应变分布和实测的应力应变关系曲线,可以得到每一时刻土样表面的应力分布。于是,土样表面剪切破坏开始出现的时刻和剪切破坏带贯穿的时刻可分别依据应变和应力判定。依据应变,将橡皮膜上各点的轴向应变的拐点最晚出现的时刻作为剪切带完全贯穿的时刻;依据应力,将全部点中某一个或几个点最早达到峰值应力的时刻作为剪切带开始出现的时刻;土样各点相继达到应力峰值的过程就是剪切破坏的过程。以剪切破坏的起始点和剪切带贯穿的点为分界,土样剪切破坏过程可以划分成三个阶段:破坏前阶段、破坏阶段和破坏后阶段,在不同阶段土样具有不同的变形特点和变形机理。     

高温下轻质泡沫铝动态力学性能实验

对传统的分离式Hopkinson压杆装置加以改进,设计了一种长杆直接撞击Hopkinson杆的实验方案,检测出低波阻抗材料在高温动态加载下的应力均匀性。对轻质泡沫铝材料的实验表明,在同一撞击速度下,温度越高,试件两端的应力均匀性越差,增加温度与提高撞击速度均会导致泡沫铝材料冲击端与支撑端的应力不均匀性。根据高温下应力均匀性的实验结果,确定高温下试件均匀变形对应的冲击速度,再通过传统的分离式Hopkinson压杆实验得出泡沫铝在高温动态下的力学性能。     

Effects of deformed volume, volume fraction and particle size on the deformation behaviour of W/Cu composites

Tungsten/copper (W/Cu) particle reinforced composites were used to investigate the scaling effects on the deformation and fracture behaviour. The effects of the volume fraction and the particle size of the reinforcement (tungsten particles) were studied. W/Cu-80/20, 70/30 and 60/40 wt.% each with tungsten particle size of 10 μm and 30 μm were tested under compression and shear loading. Cylindrical compression specimens with different volumes (D_S = H) were investigated with strain rates between 0.001 s⁻¹ and about 5750 s⁻¹ at temperatures from 20 °C to 800 °C. Axis-symmetric hat-shaped shear specimens with different shear zone widths were examined at different strain rates as well. A clear dependence of the flow stress on the deformed volume and the particle size was found under compression and shear loading. Metallographic investigation was carried out to show a relation between the deformation of the tungsten particles and the global deformation of the specimens. The size of the deformed zone under either compression or shear loading has shown a clear size effect on the fracture of the hat-shaped specimens.The quasi-static flow curves were described with the material law from Swift. The parameters of the material law were presented as a function of the temperature and the specimen size. The mechanical behaviour of the composite materials were numerically computed for an idealized axis-symmetric hat-shaped specimen to verify the determined material law.