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.     

强激光加载铝材料动态损伤特性及其微介观结构观测

在神光-Ⅱ装置上利用强激光加载铝材料进行高应变率(高于106s-1)层裂实验,研究不同初始温度下高纯铝材料的动态损伤特性。采用任意反射面速度干涉仪测量样品自由面速度剖面,由自由面速度剖面计算纯铝样品层裂强度与屈服应力。结果表明:随着温度升高,材料层裂强度减小,屈服应力增大。对激光加载前后样品进行金相分析,观察不同初始温度下纯铝材料的微介观结构变化及其损伤特性。结果表明:随着温度升高,样品晶粒尺度缓慢增大,但在873K(近熔点)时晶粒尺度急剧增加;层裂面附近小孔洞数目较多,孔洞尺寸也较大,而远离层裂面处,孔洞数目相对较少,且尺寸也较小;材料的断裂方式随温度升高由沿晶断裂为主逐渐变为穿晶断裂为主。     

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.     

一种新型微孔洞损伤模型

 在前人的基础上引入单位体积微损伤个数概念，从而将宏观损伤参量与微观孔洞体积结合起来，并且在孔洞长大扩展时计入惯性效应的影响，得到了一个新的二次型微孔洞损伤演化方程，指出表面扩张效应和惯性效应分别在孔洞长大的不同阶段起主导作用，最后以921钢板撞击实验为参考，通过比较自由面速度时程曲线，得出的结果与实验相符，验证了本模型的正确性。     

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。     

平面冲击下铜的拉伸应变率相关特性研究

本文对冲击加载下高纯无氧铜的拉伸应变率相关特性进行了实验研究.实验中利用磁测速系统测试撞击前飞片速度,利用光纤位移仪——多普勒探针系统测试样品自由面粒子速度剖面.对自由面速度剖面的特征参量进行计算分析,结果表明:铜样品的层裂强度随着拉伸应变率的增加而增加,对比发现层裂强度不仅受加载条件的影响,同时受到材料本身微细观结构影响;同时随着拉伸应变率的增加,自由面速度的回跳斜率呈现出先缓慢增加后迅速增加的临界特性;最后,通过层裂样品中波系相互作用,给出了自由面速度回跳过程中的振荡特征随着拉伸应变率增加而逐渐消失的物理过程.     

高纯铝层裂的自由面速度剖面特征分析

 采用任意反射面激光干涉测速（VISAR）系统,对高纯铝（纯度为99.999%）材料开展了层裂实验研究,获得了未完全层裂和完全层裂样品的自由面速度剖面。基于实验测量中观察到的层裂回跳（Pullback）信号的脉冲宽度、速度幅值差异以及回跳信号上升过程中的两次速度斜率变化特征,详细讨论了高纯铝材料从出现损伤到完全断裂的过程中波剖面演化的行为特征。结合“软回收”样品的细观分析,指出这些自由面速度变化特征可能与材料中应力波的能量释放速率以及材料中晶粒的断裂行为密切相关。研究结果可以为延性金属损伤断裂的演化过程提供有意义的认识。     

关于自由面速度剖面解读层裂问题的几点商榷

 基于对层裂问题的理解和相关文献,就自由面速度剖面解读层裂问题的局限性提出了一些看法。指出：自由面速度剖面测量给出的层裂破坏过程是间接信息,而不是直接信息,用它确定的理论模型和数值模拟参数,也许并没有真实地反映层裂过程的物理本质;层裂强度常被人们用来表征材料在高应变率下的抗拉伸能力,但是在目前的层裂强度计算公式中没有考虑损伤介质对波剖面传播的影响,使得计算结果明显偏低;传统的单点测量得到的结果有很大的局限性,对于层裂问题,采用概率评估或者置信度评估,也许更符合真实情况。建议：为了全面真实地评价层裂问题中的物理、力学过程,应该加快发展更多的实验探测和诊断技术,尤其是对内部损伤状态的观测。     

表面粗糙度对金属冲击熔化破碎的影响

对两种表面粗糙度的金属锡样品开展了一维平面冲击微层裂实验,采用自行研发的多点动量测试装置获取熔化金属破碎区粒子动量的时空分布信息。测试结果表明,对于百纳米级粗糙度精磨样品,在加载稀疏波的作用下,熔化金属出现典型的分层断裂现象。应用光滑粒子流体动力学方法与Autodyn程序,开展了金属锡微层裂过程的细观尺度模拟,研究自由面稀疏波沿样品厚度方向传播时界面不稳定性增长的特征。研究发现,微米尺度的表面粗糙度足以使扰动伴随反射稀疏波的传播而充分增长,卸载区熔化金属充分破碎,破碎粒子同时具有冲击方向和径向的分散性,与实验测试结果相符合。     

AF-1410钢冲击响应研究

利用φ100的一级轻气炮作为加载手段，采取飞片对称碰撞法研究了AFI-410钢在冲击载荷下的动态响应。在实验中，用激光干涉测速仪(VISAR)测量样品自由面速度剖面，并用PZT陶瓷片测量弹性先驱波速度。由VISAR测量的自由面速度历史曲线如图1所示，图中Ⅰ～Ⅵ代表不同撞击速度下样品自由面速度历史图像。塑性冲击波速度与波后粒子速度关系为Cpl=4．45 1．477up(km/s)，拟合曲线如图2所示。同时，根据自由面速度历史反映的层裂信息，得到Hugoniot弹性屈服极限约在2．74GPa，层裂强度约4．67GPa。     

强激光辐照下纳米铜动态拉伸型断裂的数值模拟

 基于强激光辐照加载下纳米铜的层裂实验,采用含逾渗软化函数的损伤度函数模型对实验结果进行了数值模拟研究。强激光加载条件被简化为高斯分布脉冲压力施加在镍合金基体的前表面上。数值计算结果显示：损伤演化明显地改变了试样中波传播特性,无论是对微损伤还是完全层裂的试样,计算都较好地再现了实测自由面速度剖面,表明了含逾渗软化函数的损伤度函数模型在强激光加载条件下纳米铜层裂问题分析中具有较好适用性。     

钽在冲击载荷下的动态力学特性

 在对称碰撞实验中,用VISAR测试系统记录了自由面粒子速度剖面。结合材料常压弹性纵波声速的测量,利用冲击加载的双波结构,测量了钽在30 GPa以内的冲击波速度,给出了线性相关性非常好的D-u_p 关系,并与高压下的测量结果作了比较。同时对由自由面粒子速度剖面来计算层裂强度的模型进行了讨论,发现模型差异对钽的层裂强度的影响超过30%。     

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。     

钽的层裂实验数值模拟

 采用连续介质力学基唯象模型模拟分析了钽的平板撞击层裂行为。该模型包括了材料的非线性弹性（状态方程）、率相关塑性和孔洞的形核及生长等多种效应，并且采用一种对角隐式Runge-Kutta方法来求解本构率方程组，提高了热粘塑性本构关系计算的稳定性及精度。将数值模拟结果和相关实验数据进行了对比分析，结果表明，对于样品中的拉应力峰值明显高于材料层裂强度的实验（中、高速平板撞击实验），理论模型具有较好的预估能力，但对于临界层裂问题（低速平板撞击实验），该模型对材料损伤与失效过程的描述可能不够准确，需要进一步改进。     

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     

单晶铜在动态加载下空洞增长的分子动力学研究

冲击载荷下延性材料的损伤是材料中微空洞的产生和长大演化的结果.利用分子动力学模拟 方法对延性金属单晶铜中单个空洞在动态加载下的演化发展进行了研究，得到了空洞增长过 程中的应力分布及空洞增长演化随冲击强度变化的规律.模拟结果表明，动态加载下的前期 压缩过程对后期拉伸应力场作用下的空洞增长演化特征有不可忽视的影响，微空洞增长的阈 值则与单晶实验中层裂强度随拉伸应力作用时间减少而增加的趋势相一致. 关键词： 层裂 分子动力学 动态加载 空洞     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

 采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。     

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。     

冲击加载下20钢中弹性前驱波衰减与应力松弛行为实验研究

 通过改变样品厚度，对平面冲击加载下20钢的弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛进行了实验研究。采用激光速度干涉测速仪（VISAR）实测了样品后自由面速度历史，采样频率达到1 ns，保证了实验结果的准确性。实验结果显示：Hugoniot弹性极限随着传播距离呈指数衰减，在所研究的样品厚度范围内，Hugoniot弹性极限减小了44%；应力松弛行为和弹性前驱波的上升沿时间也依赖于传播距离；冲击加载的强度对材料动态屈服行为的影响很小。