高应变率压缩加载下LY12铝圆管的剪切断裂研究

 通过回收破片的断口观察和金相分析研究了LY12铝圆管在高应变率压缩过程中的剪切断裂现象；回收破片具有典型的剪切断裂特征，断口与径向近似成45°夹角，断口观察发现断口面经历过径向摩擦；破片金相分析表明，绝热剪切带和裂纹首先在圆管内壁附近产生，然后沿最大剪应力线向外壁扩展。利用数值计算给出了圆管在内爆压缩加载下管壁内微元的应力、应变历史，为分析LY12铝圆管的剪切断裂提供了参考。     

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。     

双轴压缩下颗粒物质剪切带的形成与发展

本文采用离散元方法,研究了双轴压缩的颗粒体系在刚性边界约束下,局部剪切带的形成和发展过程,注重分析了细观的体积分数、配位数、颗粒旋转角度等参数以及力链结构形态的演变.并从颗粒体系jamming 相图中J点附近的边壁压强和配位数随体积分数的标度规律出发,分析了剪切带内外的体积分数和配位数的变化.结果表明:剪切带形成于颗粒体系的塑性变形开始阶段,此时体系发生剪胀,颗粒体积分数减小,颗粒体系抵抗旋转的能力降低,开始出现细小剪切带,随着轴向应变的继续,细小剪切带发生连接,最终导致贯穿性优势剪切带形成 关键词： 颗粒物质 力链 双轴压缩 剪切带     

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。     

损伤度函数模型用于3种钢层裂的2维数值模拟

材料的动态损伤及断裂破坏是一个复杂的非线性过程，一直是冲击波物理领域的研究热点。文中将损伤度函数模型嵌入到二维动力有限元程序DEFEL中，并对3种钢（HR-2钢、2169钢及45钢）的平板撞击层裂实验进行数值模拟，在模拟中计及材料的屈服硬化效应和Bauschinger效应的影响，较好地再现了实测自由面的速度历史，同时给出了样品中的损伤分布及其发展。数值模拟发现，断裂面附近所受最大拉应力介于由声学近似解析计算的层裂强度和从三项式固体状态方程出发得出的断裂理论值之间，并对三者之间的差异作了分析，     

多孔材料在压缩载荷作用下的剪切破坏模式分析

压缩行为是工程材料最为基本的力学性能之一. 本文通过简化结构模型分析了各向同性的三维网状高孔率多孔材料在压缩载荷作用下的破坏模式,其中包括单向压缩、双向压缩和三向压缩等三种承载情形. 在此基础上,得出了这种多孔体受压破坏源于剪切断裂模式时名义主应力与孔率之间的数理关系. 结果表明,该类材料承受压缩载荷时的破坏模式与其材质的种类有关,脆性材质多孔体的孔棱呈拉断破坏模式,而韧性材质多孔体的孔棱则可能出现剪切断裂的破坏模式. 对应得出的强度设计判据可为该类材料在这种承载破坏模式下的应用提供参考.     

损伤度函数模型用于3种钢层裂的二维数值模拟

 把损伤度函数模型嵌入到二维有限元程序DEFEL中，并对3种钢（HR-2钢、2169钢及45钢）的平板撞击层裂实验进行了数值模拟，在模拟中计及材料的屈服硬化效应和Bauschinger效应的影响，较好地再现了实测自由面的速度历史，同时给出了样品中的损伤分布及其发展。在数值模拟中发现，断裂面附近所受最大拉应力介于由声学近似解析计算的层裂强度和从三项式固体状态方程出发得出的断裂理论值之间，并对三者之间的差异作了分析，表明数值模拟结果是合理的。     

40-60GPa冲击加载下蓝宝石发光机理研究

利用轻气炮平面波加载技术结合多通道辐射高温计技术以及瞬态光谱技术,在40-60GPa压力区间同时获得了蓝宝石冲击发光的时间分辨光谱和连续波长分布光谱．结果表明,在该压缩区间蓝宝石发光光谱的波长分布具有普朗克灰体分布特征,是一种典型的热辐射现象．辐射色温与该压力区间蓝宝石熔化温度接近,支持剪切带发光观点,认为剪切带的形成可能与蓝宝石单晶的位错和缺陷有关．对冲击压缩蓝宝石的剪切带发光温度接近熔化温度的观点,用一维塑性流的热方程给出了合理的解释．     

材料预加热冲击压缩实验技术及高温下不锈钢的动态响应

 建立了用于轻气炮上冲击压缩实验的材料预加热系统及相关实验技术。介绍这一系统的原理、构造及操作。利用这一系统，在加载幅度8 GPa的恒定载荷下，得到了初始温度300～980 K范围内HR-2抗氢不锈钢的动态响应特性，包括层裂强度、Hugoniot弹性极限、卸载声速及它们随温度的变化规律。     

数字剪切散斑干涉法研究铝合金中Portevin-Le Chatelier带的离面变形行为

作为Portevin-Le Chatelier(PLC)带的重要特征之一,其离面变形仍缺乏实验研究.本文提出使用数字剪切散斑干涉法研究GB6061铝合金中PLC带的离面变形.通过图像相减得到的条纹图,实时观察了PLC带的几何形貌和传播过程,并获得了PLC带离面位移分布.在1/15 s内,PLC带的最大离面位移为245 nm,位置偏向于PLC带传播的前沿.在条纹图中,PLC带传播前沿的亮条纹始终较窄.此外,实验还观察到PLC带位置变更和倾角转向的演化过程.实验表明,数字剪切散斑干涉法具有高灵敏度和防震性,是研究PLC带离面变形简便有效的方法.     

Localization of plastic strain under shock-wave loading of titanium alloy with a crack

The effect of shock-wave loading with an amplitude of 4 GPa and a duration of 10 μs on the localization of plastic flow and the dynamic fracture of VT-1 cast titanium alloy containing a disk-shaped crack is considered. It is found that the crack size decreases in the direction of shock wave propagation, the dislocation density grows and adiabatic shear bands appear near the crack, and secondary cracks originate in the areas of localized flow near the crack edges. The strain, strain rate, dislocation density, rate of dislocation generation, and dislocation velocity near and away from the healing crack are estimated.     

TC4钛合金及40Cr钢破片中绝热剪切带的TEM分析

 对含有约热剪切带（ASB）的TC4钛合金及40Cr钢破片作了扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析。结果表明，TC4钛合40Cr钢中的ASB是由平均直径不到0.3 μm的微晶组成，微晶列有一定择优取向，电子衍射花样表现为不连续的环状。ASB内位错密度均很低，其邻近基体区含有高密度位错，ASB内没有察到相变发生。     

Phase and structure state of titanium loaded by spherically converging shock waves

The phase and structural states of titanium spheres loaded by spherical converging shock waves of various intensities were studied layer by layer by means of X-ray diffraction, optical, and transmission electron microscopy. It was established that defects of different types (twins, dislocations, and adiabatic shear bands) are produced during high-rate deformation occurring in materials under such method of pulsed loading. The amount and distribution of the defects depend on the loading intensity. The presence of the ω-phase is revealed only in the layers near the external surface of the titanium sphere after low-intensity loading.     

Microscopical study of the formation of adiabatic shear bands in 4340 steel during dynamic loading

In this study, optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction and electron probe microanalyser were used to analyse the changes in microstructure of AISI 4340 steel specimens caused by impact at high strain rates and large strains. The structures of the steel prior to dynamic deformation and after dynamic deformation were examined to understand on a microscale level, the mechanism of formation of adiabatic shear bands (ASBs). The study also includes the structural changes that occur during post-deformation annealing processes which may relate to understanding of the mechanism of formation of ASBs. Prior to deformation, the tempered steel specimens consisted of lenticular laths of α-ferrite with precipitated platelet and spherical M₃C carbides. After impact, the structure inside the shear band was characterized by refined and recrystallized grains immersed in dense dislocation structures. In addition, residual carbide particles were observed inside the shear bands due to deformation induced carbide dissolution. Regions away from the shear bands developed ‘knitted’ dislocation walls, evolving gradually into sub-boundaries and highly misoriented grain boundaries at increasing strains, leading to grain refinement of the ferrite. After impact, annealing the shear bands at 350?°C resulted in an increase in hardness regardless of the heat treatment before impact, amount of deformation and the time of annealing. This is because of the occurrence of extensive reprecipitation of dissolved carbides that existed in the steel structure prior to deformation. It is concluded that dynamic recovery/recrystallization, development of dislocation structures and carbide dissolution all contribute simultaneously to the formation of ASBs in quench-hardened steels.     

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     

A non-viscous-featured fractograph in metallic glasses

A fractograph of non-viscous feature but pure shear-offsets was found in three-point bending samples of a ductile Pd–Cu–Si metallic glass. A sustainable shear band multiplication with large plasticity during notch propagation was observed. Such non-viscous-featured fractograph was formed by a crack propagation manner of continual multiple shear bands formation in front of the crack-tip, instead of the conventional rapid fracture along shear bands. With a 2D model of crack propagation by multiple shear bands, we showed that such fracture process was achieved by a faster stress relaxation than shear-softening effect in the sample. This study confirmed that the viscous fracture along shear bands could be not a necessary process in ductile metallic glasses fracture, and could provide new ways to understand the plasticity in the shear-softened metallic glasses.     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

平面冲击波高速撞击下Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金的损伤与断裂

 利用二级轻气炮研究了在平面冲击波高速撞击下，Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5大块非晶合金的损伤与断裂行为。实验结果表明：在高速冲击压缩下，大块非晶合金断裂面的角度小于通常压缩情况的角度，这是由高速撞击下材料极高的应变速率决定的；极高的应变速率变形和局域绝热剪切加热造成局部熔化；在温度和压力的共同作用下，非晶合金发生晶化现象。