Ta-10W合金压缩力学性能实验研究

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对非退火状态Ta-10W合金进行了准静态和动态压缩实验,给出了材料的静态压缩屈服强度和应变率在700~3 100 s-1范围内的动态压缩应力-应变曲线,并获得了不同应变率下材料的动态屈服强度。通过对实验结果的分析可以发现,非退火状态Ta-10W合金具有较好的韧性,在所进行的实验中试件表面均未出现可见裂纹;试件材料具有较高的静、动态屈服强度,静态屈服强度达到930 MPa,动态屈服强度在1 GPa以上,在所进行的700~3 100 s-1应变率范围内,材料的动态屈服强度随应变率的增加略有提高。     

准等熵压缩实验中金属铝的热力学耗散分析

为获取高压下材料的纯热力学压力-比容参考线和完全物态方程,减去应力-应变曲线中的其它信息,对准等熵压缩实验中由加载应变率引起的黏性耗散和热传导引起的热耗散做了分析讨论。基于反积分计算和流体动力学积分计算相结合的方法,根据激光加载(约108 s-1)和磁驱动准等熵压缩(约105 s-1)的实验数据,对材料声速、应力-应变曲线、温度和熵增等物理量进行计算,分析了不同应变率与该物理量的关系;还对热传导和SCG本构模型进行了计算,分析了热传导引起的温度变化对材料屈服强度、剪切模量和拉格朗日声速的影响。结果表明:激光加载实验中,应变率引起的温升差异约为180K,熵增差异约为250J/(kg·K),热传导导致温度下降40K;磁驱动准等熵压缩应变率较低,引起的熵增变化小于8J/(kg·K)。     

冲击加载下42CrMo钢的动态力学性能及其本构关系

车轴作为高速列车走行部中的重要部件,不可避免地需承受冲击载荷作用。为研究车轴用42CrMo钢的冲击动态力学性能,对其进行了应变率0.001~4 163s-1范围内的压缩实验,结果显示42CrMo钢在高应变率下表现出明显的应变率效应,存在应变硬化以及一定的热软化效应。根据实验结果对Johnson-Cook模型中应变项和应变率项解耦,并引入绝热温升,得到改进的Johnson-Cook模型,改进Johnson-Cook模型能够较好地描述42CrMo钢的动态力学特性,为实际工程结构力学分析提供了参考。     

用于中子衍射的原位应力加载装置

一种小型化的应力加载系统,配合中子衍射应力谱仪可实现对多晶材料的原位测量,为进一步获得材料内部相、织构与应力演化的原位中子衍射实验结果,建立基于微观机制的材料宏观本构模型提供可能。该系统利用伺服电机提供动力,机架使用7050铝合金材料制造,系统的拉伸强度可达10 kN,运动速度可调（1 m/s~1 mm/s）。试样拉伸（压缩）时,S型传感器内部应变片变形产生电压信号,再经PLC处理后得到试样应力与应变之间关系。通过与英斯特朗5967实验拉伸机针对同一钢质试样进行对比实验发现,应力-应变曲线一致性良好。     

多晶体压剪试样静态加载有限元计算

基于晶体塑性理论研究了晶体织构对数值计算结果的影响,建立了带有织构的多晶体压剪试样(SCS)模型。从材料和试样结构两方面研究了静态加载条件下微观晶粒在有限变形过程中对试样宏观力学性能的影响。由于模型几何结构的特殊性,重点对模型斜槽部分的应力、应变及变形特点进行了分析。考虑到试样在压缩过程中受摩擦的影响,数值分析了不同摩擦系数对变形过程的影响,在此基础上计算了相同摩擦系数下不同晶粒数目、不同单元数目以及单元类型对多晶体压剪模型力学性能的影响,并对试件关键部位不同取向晶粒的应力状态进行了分析。     

高温处理后活性粉末混凝土动力学行为及本构模型研究

 利用分离式霍普金森压杆系统,采用铅片作为整形器,分别对常温下及400、600、800 ℃高温处理后的活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,RPC）试样进行单轴冲击压缩实验,研究高温后RPC材料的动态力学性能,建立高温处理后材料的率型本构模型。结果表明：经不同高温处理后的RPC材料的动态抗压强度和韧性指标均有较明显的应变率敏感性,而峰值应变、初始弹性模量受应变率影响不大;不同应变率下,400 ℃以上高温处理后RPC材料的单轴动态压缩力学性能有所降低。扫描电镜分析表明,高温处理后RPC材料微观结构的劣化是宏观力学性能降低的根本原因。对ZWT粘弹性本构模型进行了修正,修正后的模型适用于混凝土材料经高温处理后的率型本构关系的分析。     

应变率和孔隙率对规则多孔钛压缩力学性能的影响

采用普通材料测试机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对孔隙规则排布的多孔钛试样进行准静态及动态单轴压缩实验,研究了应变率和孔隙率对多孔钛材料弹性模量、屈服强度和能量吸收能力的影响。结果表明:在不同应变率下,规则多孔钛应力-应变曲线在特定区域均可近似为双线性模型;孔隙率对弹性模量、屈服强度和能量吸收能力有直接影响,屈服强度和能量吸收能力均与应变率相关,并给出了同时考虑孔隙率和应变率对屈服强度影响的经验公式。     

压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^-3～6.7×10^-2 s^-1)且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10³～5.27×10³ s^-1)下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。     

飞秒激光冲击AZ31B镁合金过程的数值模拟

采用有限元分析法对飞秒激光冲击AZ31B镁合金进行数值模拟,研究了激光冲击处理对镁合金变形过程的影响,分析了单脉冲激光冲击下材料内部的位移、动能、应力和应变的分布情况,得到了材料的瞬态速度和应变率变化过程.仿真结果表明,单脉冲飞秒激光冲击镁合金产生的塑性变形,可在材料表面形成微米级凹坑,中心点处最大位移为34μm,最大变形速度390m/s;在冲击初期,材料表面的应力和应变主要分布在冲击区域中心节点和边缘附近,并且得到镁合金的最大应力和最大应变率分别为955 MPa和1.8×106 s-1.研究结果能够为深入分析飞秒激光与镁合金作用时材料变形参量的变化规律提供数值理论依据.     

梯度泡沫铝的各向异性压溃力学行为

功能梯度泡沫金属因其密度连续变化,在轴向受压时可提供稳定增长的反馈载荷。然而当前研究多局限于其纵向压缩力学响应,考虑到实际应用中可能出现的横向冲击,基于低速冲击实验,考察梯度泡沫铝轴向和横向压缩力学响应的异同,并采用数字图像相关技术和数值模拟方法研究其宏细观压溃机制。结果表明:(1)在力学性能上,相比于纵向压缩加载的梯度泡沫铝,横向压缩加载下具有更高的抗压强度,而平台应力、致密化应变和能量吸收效果低于纵向压缩;(2)在失效变形模式上,纵向压缩变形模式为变形带渐进式压缩,而横向压缩变形模式的变形带则随机出现在试样的各个位置;(3)横向压缩下梯度泡沫铝致密化应变和比吸能的减小是由高孔隙率区的胞孔利用率降低导致的;(4)构建的弹性-塑性硬化-刚性模型能够较准确地描述梯度泡沫铝的纵向压缩力学行为。研究结果可为梯度泡沫金属在爆炸冲击结构防护工程中的设计提供理论参考。     

含棉冰材料在低应变率下的抗压性能

航空飞行器在飞行过程中不可避免地受到冰雹冲击的威胁,严重危害航空器的飞行安全。目前,天然冰材料的冲击特性尚不明确,为此,依据ASTM F320-21标准《航空与航天透明外壳冰撞测试》,研究了不同应变率下天然冰材料的力学性能。天然冰相对于人工冰雹具有密度低、强度高的特点,结合冰雹制备标准,制备了含棉纤维质量分数为0、3%、6%、12%的冰柱试样。利用万能试验机对冰试样进行应变率分别为10^-4、10^-3、10^-2 s^-1的压缩实验,分析了棉纤维质量分数与应变率对冰试样压缩力学性能的影响,以及破坏形式与临界应变能密度的关系。结果表明：透明冰在应变率约为10^-3 s^-1时由韧性向脆性转化,且添加棉纤维有助于提高冰的压缩屈服强度,在压缩过程中表现出“裂而不碎”的现象;在准静态压缩下,两种冰模型破坏时转化为裂纹表面能所需的能量均比转化为塑性能所需的能量更少。     

惯性对多孔金属材料动态力学行为的影响

 对泡沫金属材料的力学性能已经进行了十分广泛的研究,但在对泡沫金属的应变率效应和惯性效应的研究中,尚存在一些矛盾的结论。为进一步认清惯性在多孔金属动态响应中的作用,用有限元计算方法模拟了二维Voronoi蜂窝的动态压缩行为,得到了不同速度下Voronoi蜂窝的3种变形模式。通过改变基体材料的密度和冲击速度进行“数值实验”,得到了相应“试件”的由冲击面和支撑面得到的宏观平均应力应变曲线和平台应力。根据数值模拟的结果,着重分析了惯性效应的影响。研究发现,惯性并不影响蜂窝的应力应变曲线,但它导致试件中宏观变形不均匀,是平台应力提高的主要原因。     

船载光电转台设计及特定环境下可行性分析

结合船载光电转台的技术要求,通过pro/E软件设计舰载光电转台的机械结构。根据转台的表面材料,运用ABAQUS软件对其在海洋的等价静力风载、极端温度场和海浪振动3种特殊环境下进行表面变形分析,校验结构的应力和应变,确保满足船载光电转台的设计精度要求;得到在等价静力风载作用下,光电转台的最大应力点大小为255 MPa,小于钢的屈服强度355 MPa;在温差作用下最大应力点分别为174.8 MPa、247.1 MPa,均小于铝合金的屈服强度274 MPa;在海浪振动作用下,1~5阶振型的最大形变位置均不在转轴附近。     

球形孔开孔泡沫铝的力学特性及准静态压缩变形机制

对胞孔形态和尺寸较为一致的球形孔泡沫铝开展静-动态压缩实验,利用数字图像相关法研究了泡沫铝在准静态压缩过程中的宏观和介观变形机理。结果表明:球形孔泡沫具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,平台应力及屈服强度增加,吸能效率也有所提高。由于胞元壁厚不均匀和孔壁缺陷的随机分布,泡沫铝在压缩过程中会出现多条局部变形带,单个胞孔表面在孔壁缺陷处也会出现应变集中带。胞元孔的变形模式主要有3种,轴向压缩、剪切、扭转加剪切复合变形,且整体变形带处的孔壁破坏模式以剪切变形为主,孔壁的变形模式又与孔壁自身厚度以及加载方向有关。     

LIBS对钛合金焊缝中成分的原位统计分布分析表征

钛合金凭借其强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点已经被广泛应用于航天、海洋、生物医药等诸多领域,其中Ti-6Al-4V（TC4）合金的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,已成为钛合金工业中的王牌合金。钛合金在激光焊接时,加入表面活性剂可以增加焊缝熔深、提高焊接效率、改善焊缝微观组织的不均匀性,但是可能会改变熔合区和焊缝区中元素含量及其分布状态,从而可能会对材料的性能产生一定的影响。运用LIBS分析技术对TC4钛合金焊接试样表面进行面扫描同步获得多元素成分信息,同时结合原位统计分布分析方法（OPA）,实现了对钛合金母材、熔合区、焊缝成分及其分布状态的快速表征,为活性剂的选择和焊接后钛合金的材料性能提供一种新的评价手段。选取了两个使用不同活性剂进行焊接的TC4钛合金薄板试样,选取焊缝纵切面方向作为分析面,采用320目的氧化铝砂纸进行表面处理,利用LIBSOPA系统进行成分分布统计表征。首先,对激发光斑和剥蚀条件进行条件优化,最终选择200 μm的激发光斑、10个预剥蚀脉冲10个剥蚀脉冲进行实验,并建立了钛合金中C,Al,V,Fe,Si和Ti六个元素的校准曲线（其中Si元素主要来自活性剂）;然后对钛合金焊接样品进行了区域扫描,并对元素含量和分布状态进行了统计表征。同时,在钛合金焊接样品的不同部位进行分区取样,采用高频红外法分析C元素含量,并与LIBSOPA结果进行比对,两种测试方法结果吻合。元素Al,V,Fe,Si和Ti分布结果与微束X荧光光谱法对应性较好。运用LIBSOPA 技术实现了对钛合金母材、熔合区、焊缝中多元素的成分分布表征,为快速判定钛合金焊缝中成分及分布状态提供了全新的评价表征手段。     

放电等离子烧结制备ZrB2-SiC超高温陶瓷的力学性能及氧化行为

在服役环境中,超高声速飞行器表面与空气剧烈摩擦导致温度极高。超高温陶瓷相较于一般陶瓷而言具有高熔点和良好的抗氧化烧蚀性能,是目前极具前景的热防护材料之一。采用放电等离子两步烧结工艺将ZrB2纳米粉末和SiC粉末在1700℃下制备超高温陶瓷材料ZrB2-20%SiC,通过纳米压痕微观实验、三点弯实验研究其力学性能及其在高温环境下的氧化行为,着重分析1000、1200、1400和1600℃4种不同氧化温度下ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的氧化表面、氧化截面和氧化层厚度。结果表明:ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的硬度为18 GPa,弹性模量为541 GPa,断裂韧性为5.7 MPa·m1/2;当氧化温度为1600℃时,超高温陶瓷内部的SiC由被动氧化转变为主动氧化,并且随着氧化温度升高,超高温陶瓷氧化层厚度与氧化温度呈正相关。     

TC6钛合金激光喷丸组织演变与表面强化机理

研究了激光喷丸(LP)TC6钛合金的组织演变对表面强度的影响机理。结果表明,LP后材料表面的显微硬度和残余应力均随功率密度的增加而增大,LP引起的硬度影响层和残余应力影响层的深度也随功率密度的增加而增大,且影响层深度为500~600μm。LP对TC6钛合金强度的影响机理包括细晶强化和位错强化,晶粒细化使大角度和小角度晶界增多,而晶界能阻止材料发生屈服;LP产生的高密度位错可使材料的屈服强度提高,阻碍位错的运动,抑制裂纹的萌生,从而使材料的力学性能提高。     

3D打印梯度Gyroid结构的动态冲击响应

利用ANSYS/LS-DYNA对均匀及梯度Gyroid结构进行准静态与动态压缩数值模拟,分析其应力分布、变形模式、承载能力以及吸能特性。对3D打印的316L不锈钢试样实施了单轴拉伸实验,获取了相应的材料参数,建立了Gyroid结构有限元模型,进而对其动态力学响应进行了数值仿真。结果表明:均匀结构呈现出较均匀的变形模式,梯度结构为低密度端向高密度端传播的逐层变形模式;两种结构均呈现明显的应变率敏感性,且负梯度结构的应变率敏感性最明显;在相同的加载速度下,负梯度结构的吸能效率最高,且具有最低的支撑端应力,是最佳的防护结构。研究结果可为冲击载荷下防护结构的设计选型提供参考。     

围压作用下伟晶辉长岩的能量特性及破坏模式分析

为探究围压条件下伟晶辉长岩的能量释放与破坏模式的关系,利用霍普金森压杆和LS-DYNA数值模拟软件对伟晶辉长岩开展了不同围压和不同冲击速度下的动态力学性能测试,分析其在不同围压和应变率下的能量释放特征及破坏规律。结果表明：高围压下,试样无明显塑性变形阶段,且围压状态对高应变率下的动态抗压强度有抑制作用,当冲击气压高于0.4 MPa时,动态抗压强度的增长趋势放缓;应变率和围压对伟晶辉长岩的能量与破坏模式有显著影响。随着围压的升高,试样的反射能占比增大,而透射能占比减小;能耗密度随应变率的增加而增大,当应变率为95 s^-1时(对应的冲击气压为0.4 MPa)出现拐点,同时高围压下的能耗密度大于低围压下的能耗密度。对于处于围压下的试样,其破坏断面多带有一定的角度,通过LS-DYNA有限元软件模拟了试样在围压下的动态破坏过程,发现中低围压下试样多呈剪切破坏,而高围压下试样有多条剪切裂纹发育贯通,呈复合破坏模式。     

高温高应变率下ZL101A铝合金的流变应力特征与本构模型

采用分离式霍普金森压杆系统和高温设备对ZL101A铝合金进行了常温和高温下的动态压缩实验,得到了应变率范围为2 900～6 100 s^-1、温度范围为20～600℃的动态压缩应力-应变曲线。实验结果表明：ZL101A铝合金具有应变率硬化效应,并且随着温度的升高,应变率硬化效应减弱;ZL101A铝合金在不同应变率下均存在明显的温度软化效应,且随着温度的升高,塑性变形引起的绝热温升使热软化作用增强。为了得到应变率和温度对材料流变应力的影响,将应变率效应和温度效应进行解耦,得到一种适用于ZL101A铝合金材料的动态本构模型。对比模型预测结果与实验数据发现,建立的本构模型可以很好地描述ZL101A铝合金的流变应力特征。