基于单孔洞近似的高纯铝部分层裂实验的数值模拟研究

基于单孔洞近似,对不同撞击速度下高纯铝的部分层裂实验进行了数值模拟研究,讨论了微孔洞长大对波传播的影响及其在自由面速度波剖面上的表现. 通过分析微孔洞周围的应力场变化,认识到实测自由面速度波剖面出现"回跳"特征并不能说明材料发生完全层裂,其直接原因是样品内部微孔洞长大所引起的局部卸载效应. 将计算得到的自由面速度波剖面和微孔洞相对体积与实验结果进行了对比分析,发现两者均符合很好,表明采用单孔洞增长来近似描述部分层裂样品中随机损伤发展及其对波传播的影响是可行的. 关键词： 层裂 孔洞增长 自由面速度波剖面 微孔洞相对体积     

惯性及弹塑性效应对延性金属材料层裂损伤的影响

本文以空心球壳模型为基础,在飞片加载条件下,讨论了惯性、弹塑性效应以及初始孔洞大小对材料层裂损伤的影响.分析结果表明,在研究材料层裂损伤问题时,惯性、弹塑性效应以及初始孔洞大小的影响是不能忽略的,特别是初始孔洞大小的影响.同时,鉴于初始孔洞大小的重要影响,本文尝试给出了一个分析初始孔洞尺寸的方法. 关键词： 层裂损伤 惯性 弹塑性效应 初始孔洞     

铝锂合金材料损伤演化方程和层裂准则的研究

 通过平板撞击实验对铝锂合金层裂现象进行实验研究。以细观统计和唯象分析相结合的思想,提出了一种新的微孔洞型损伤演化方程,方程同时计及了孔洞长大、成核以及材料可压缩性的耦合效应对损伤演化的影响。在一维应变波模拟程序中嵌入考虑损伤演化影响的铝锂合金本构方程和状态方程,模拟平板撞击过程靶板自由面质点速度时程曲线,并与实验曲线相对比,得到了铝锂合金材料损伤演化方程及其层裂准则的相关参数。     

非一维应变冲击加载下高纯铜初始层裂行为

提出了一种锥形靶层裂实验新方法,开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究,讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系.结果显示:1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区,损伤区扩展方向与锥面平行,从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态,从微孔洞独立长大到局部聚集,最后形成宏观裂纹,这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化;2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析,揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的,而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征;3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号,但是通过与内部损伤分布特征对比,揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力,Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率,Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.     

延性金属层裂自由面速度曲线物理涵义解读

对延性金属层裂自由面速度曲线上典型特征所蕴含的物理涵义进行了新的解读. 揭示了自由面速度曲线上宏观响应特征和微孔洞成核、长大和聚集的微损伤演化动力学之间的关联: Pullback信号的临界点对应于微孔洞的成核,Pullback幅值表征了损伤成核或起始的条件——成核强度; Pullback信号之后的回跳斜率代表了损伤演化速率, Pullback 信号后速度回跳幅值从一定程度上反映了损伤程度; Pullback信号之后的振荡周期模式反映了损伤的局域化状态.     

加载应力幅值对高纯铜动态损伤演化特性研究

研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.     

材料动态响应的多尺度数值模拟研究

冲击作用下材料的动态力学行为是工程力学、材料、武器物理和空间物理中的重要课题,其位错的产生和演化、绝热剪切带的形成、界面的冲击熔化和微层裂等,是我们研究的热点。以上材料的动力学效应,大都发源于原子尺度的微观缺陷,跨越了多个空间尺度和时间尺度,最后发展为宏观损伤效应。迄今为止,损伤形核、长大和汇合、界面的冲击熔化等效应的理论研究仍然存在许多空白。受限于现有实验技术,损伤从微观、细观至宏观尺寸的成核和演化等诸多中间环节均没有原位实验观测,这给加载过程中材料的动力学响应分析带来很大困难。因此,数值模拟研究材料微损伤演化是理解冲击作用下材料动力学行为的有效途径之一。     

冲击加载下铝中孔洞长大的微观机理分析

 利用扫描电镜和透射电镜观测了冲击加载后高纯铝损伤状态孔洞的分布,发现在冲击波加载后,高纯铝中出现了大量的孔洞,孔洞大小多集中在百纳米尺度,分布不均匀,且呈现出带状形貌,局部区域的孔洞在冲击波作用下优先发展,孔洞长大,形成微米级的大孔洞。进一步的观测发现,在孔洞周围出现了大量的位错发射,发射方向位于{111}晶面上,是面心立方金属的密排面。运用分子动力学模拟进行了对比研究,验证了位错发射方向与观测结果是一致的。     

基于微孔洞长大惯性机制的动态拉伸断裂模型构建

 采用圆柱体胞模型分析方法,对球形微孔洞在不同加载应变率条件下的动力学响应行为进行了有限元分析,计算结果表明：在微孔洞稳定增长阶段,惯性对微孔洞的快速增长起着关键性作用,其它因素的影响基本可以忽略,微孔洞半径增长率与平均应力的平方根成正比。提出了一个微孔洞增长惯性机制的损伤度演化方程,结合逾渗软化函数描述微孔洞聚集行为,从而构建了一个新的动态拉伸断裂模型,并通过自定义材料模型子程序,把断裂模型嵌入LS-DYNA程序中,对无氧铜平板撞击层裂实验进行了数值模拟研究,计算结果与实验结果的比较令人满意,初步检验了新模型的实用性。     

粘塑性介质中球形孔洞的动态增长

 提出了一个新的粘塑性介质中球形孔洞在高加载率作用下的演化方程。方程中考虑了应变率、局部惯性和介质的硬化效应，并对这些影响进行了数值分析和讨论。数值分析结果表明：孔洞的增长对外加载率和应变率十分敏感，在高加载率条件下局部惯性效应对孔洞增长有着重要影响，随着加载率的增加，这种影响增大。另外，得到了使孔洞增长的临界应力值的表达式。     

飞秒激光作用下薄膜破坏的力学过程

提出了等离子体膨胀的力学模型, 在等离子体膨胀过程中考虑了球壳膨胀时的惯性效应，实现了动态特性的模拟.采用能量守恒原理，研究了薄膜中等离子体受限制爆炸的薄膜损伤机理的力学特性,并对薄膜损伤的发展作了初步探讨. 关键词： 等离子体 膨胀 薄膜 激光     

动态损伤演化的空间不连续性实验研究

对冲击加载下高纯铝的损伤演化进行了实验研究. 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试冲击加载“软回收”的样品截面, 对测试结果进行三维重构和损伤量化计算. 结果表明: 受到孔洞形核效应、尺寸效应和应力松弛作用, 在损伤演化早期, 损伤度随着空间的分布是不连续的, 除最大损伤度以外还存在一个次高峰. 在损伤演化后期, 受到贯穿作用的影响, 损伤度增量随空间的分布也是不连续的, 贯穿区域损伤度迅速增加, 损伤度曲线的次高峰特征消失. 关键词： 高纯铝 冲击波 损伤演化 空间不连续性     

高纯铜初始层裂的微损伤特性研究

本文对平面冲击加载下高纯铜初始层裂的微损伤特性进行了研究. 利用准三维的表面轮廓测试技术, 对冲击加载“软回收”的样品截面进行测试. 通过对测试数据的重构、量化和统计分析, 结果表明: 拉伸应力持续时间和加载应力幅值的增加, 都会加剧样品内部损伤局域化程度. 样品内损伤区域宽度是亚微米尺度的损伤演化的结果, 并且亚微米尺度的演化速率随着拉伸应变率的增加而单调递增. 通过统计获得了样品内微损伤的尺寸分布特征, 并分析了其与损伤演化进程的关联.     

Filling the voids in silicon single crystals by precipitation of Cu3Si

This article presents a method to decorate all open volume defects in a silicon single crystal by Cu₃Si precipitation. Si single crystals are being used for the determination of Avogadro's number with sufficient accuracy (1 part in 10⁸) to allow the establishment of a physical standard for the kilogram. The method described here can be used to certify that the open volume in such crystals is sufficiently small. The voids in this work were formed artificially by annealing He-implanted silicon wafers. Annealing after application of a copper nitrate solution to the surface followed by slow cooling produced Cu₃Si precipitates in the η′ phase in the voids. To fill all the voids completely it proved necessary to coat the surfaces, after application of the nitrate, with a pure Cu layer as well. Slow cooling keeps the supersaturation of Cu small but sufficient to precipitate Cu into the voids. Formation of dislocation loops and stacking faults, often seen during Cu silicide precipitation in silicon after fast cooling, can be minimized. Other transition metals, such as Au, Ni, and Fe, were found to be less suitable than Cu for filling voids.     

强激光辐照下孔洞尺寸对铁相变过程的影响

 利用分子动力学模拟研究了完美单晶铁以及含不同尺寸孔洞的单晶铁相变过程,分析了孔洞尺寸对相变过程的影响。模拟结果表明：孔洞的存在降低了相变的阈值应力,加速了相变区域成核速率和相变传播速率;随着孔洞直径的增大,相变的阈值应力逐渐降低;孔洞也改变了相变的初始成核区域,使相变区域呈现出一个蝴蝶状的形貌;孔洞反射的稀疏波对相变成核区域的影响随孔洞体积增大而增大,导致孔洞周围出现大量的无序结构原子;孔洞体积对相变的影响也体现在了粒子速度空间分布上,压缩过程中孔洞周围出现的大量“热点”导致了更低的粒子速度空间分布。     

孔洞和空位对单晶铝力学性能影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟含孔洞的单晶铝单轴拉伸过程,研究晶向、孔洞体积分数、空位体积分数等对孔洞生长的影响.结果表明：对于不同的晶向,决定孔洞生长变形的微观机制不同.[010]晶向单轴拉伸情况下,形变机制主要是｛111｝面位错引起的堆垛层错;[111]晶向单轴拉伸情况下,形变机制主要是位错的移动、堆积与发射.此外,孔洞及空位的体积分数对[010]、[111]晶向的孔洞生长过程也有着明显的影响.总的来说,随着孔洞或者空位体积分数的增加,材料的杨氏模量变小,屈服强度、屈服应变下降.     

超形变核全同带的研究

简述了超形变原子核全同带的研究进展情况,并以Bohr-Mottelson的I(I+1)展开转动谱公式对部分典型的超形变带进行了分析.发现所谓全同带的确只是两个带的J⁽²⁾比较接近,它们的J⁽¹⁾和J₀并不相等,而且signature对偶带更接近全同.     

Effect of the current density on the volume expansion of the deposited thin films of aluminum during porous oxide formation

The effect of the anodic current density, temperature and concentration of the oxalic acid on the volume expansion of porous alumina films formed from 1.8 μm thick aluminum films has been investigated. The volume expansion of the aluminum during oxidation was determined by the step height between the aluminum surface and the porous alumina surface at the edge of the anodized region, which was measured with a mechanical profiler with computer signal processing. Experiments showed, that the volume expansion factor as well as the cell dimensions is proportional to the anodizing voltage. The dependence of the volume expansion factor (k) on the anodizing voltage (U) has the linear nature. The volume expansion factor in the 4% solution of oxalic acid can be defined by the following equation: k=1.092+0.007U. It was established, that the dependence of the logarithm of the ion current density on the inverse volume expansion factor of porous alumina has the linear nature.     

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.