增材制造TC4钛合金的动态力学行为研究

增材制造TC4钛合金是具有优良的力学性能和工艺性能的金属材料,在航空航天领域已得到重要应用.近年来,在塑性力学的研究中,探究应力状态对金属材料变形和失效行为的影响得到广泛关注,然而大部分的研究都是在准静态下完成的,对于中高应变率下金属材料变形失效的研究较少.本文从增材制造TC4钛合金的基本力学性能出发,考虑应力状态和应变率对其变形和失效行为的影响,采用应力三轴度η和罗德角参数■表征应力状态,设计了相应的试样形式和实验方法.利用电子万能实验机、高速液压伺服实验机以及分离式Hopkinson杆,结合数字图像相关法分析对材料在不同应变率、不同应力状态下的力学性能进行了测试,获得其变形和失效特性.为得到试样内部应力状态历程参数和应变场,通过ABAQUS进行数值仿真,得到试样应变最大处的应力状态历程参数和失效应变.以实验测试和仿真分析结果为基础,对传统MMC失效模型进行了修正,建立了全面考虑应变率、应力三轴度和罗德角效应的增材制造TC4材料的失效模型;同时建立了考虑应力三轴度η和应变率效应的Johnson-Cook失效模型.并通过对增材制造TC4钛合金平板进行高速冲击实验和数值仿真,验证了本文拟...     

基于J-C模型的Q235钢的失效准则

使用Instron材料试验机、霍普金森拉杆（SHTB）对Q235钢试件进行了不同温度下的准静态和动态拉伸实验，研究了温度、应变率及应力三轴度对Q235钢失效应变的影响，结果表明:Q235钢失效应变随温度的升高而增加，随应变率的增加而减小，随应力三轴度的增加先减小后增加再减小。基于实验结果对Q235钢J-C失效模型中的温度项进行了修正，并结合数值模拟提出了基于J-C失效模型的应力三轴度三分段式失效准则，通过Taylor撞击实验和数值模拟对给出的模型相关参量进行了验证，实验与模拟结果吻合较好。     

6061-T6铝合金动态拉伸本构关系及失效行为

采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001～100 s?1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。     

7A04铝合金的本构关系和失效模型

使用万能材料试验机、扭转试验机和Taylor撞击实验研究了高强铝合金7A04在常温至250 ℃的 准静态、动态本构关系和失效模型。基于实验结果,修改了Johnson-Cook强度模型中的应变强化项以及 Johnson-Cook失效模型中的温度软化项,并结合数值模拟标定了模型参数。实验结果表明,7A04铝合金的 应变和应变率强化效应不显著,失效应变随温度的增加、应力三轴度的减小和应变率的减小而增加。     

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在?1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。     

超高分子量聚乙烯材料的应力松弛研究

采用实验方法研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料,在不同温度、应变率和初始应变的条件下进行单轴压缩应力松弛实验,得出松弛应力与时间成非线性关系,且温度越高、应变率越大、初始应变越小,则最终稳定的应力值越小的结论.采用时间分数阶粘弹性模型,结合Boltzmann叠加原理推导出UHMWPE材料在整个加载段及松弛段的应力响应函数,并与实验数据最小二乘拟合.结果表明,时间分数阶Scott-Blair模型能很好地描述UHMWPE材料的粘弹性行为.     

Al基含能结构材料的Johnson-Cook本构模型及失效参数研究

利用万能实验机和Hopkinson杆装置测试了Al基含能结构材料在不同温度下的静动态力学性能，分析实验结果得到了温度效应和应变率效应对材料力学性能的影响及该合金的Johnson-Cook本构模型参数.结合二维数字图像相关(DIC)方法，研究了Al基含能结构材料的失效应变与应力三轴度及温度之间的关系，得到了该合金的Johnson-Cook失效模型参数.通过平面撞击实验获得了Al基含能结构材料粒子速度和应力波波速之间的经验线性关系和该合金的Grüneisen系数.基于实验获得的材料本构关系和状态方程参数，完成了Al基含能结构材料超高速撞击多层间隔薄钢板的数值模拟，结果表明，数值模拟中靶板的毁伤模式、破孔直径及弹坑主要散布区和实验结果吻合.     

MDYB-3有机玻璃在不同应变率下的一维屈服行为

对MDYB-3有机玻璃进行了多组不同应变率(10-3~3 000 s-1)下的压缩实验, 得到准静态下的屈服应力与动态下的峰值应力。沿其增强与面内2个方向进行准静态压缩实验, 以分析定向拉伸对屈服应力的影响, 修正了Ree-Eyring模型与Cooperative模型以描述定向有机玻璃的屈服行为。采用Johnson-Cook模型描述屈服后的黏塑性行为。结果表明Cooperative屈服模型比Ree-Eyring屈服模型更接近实验结果, 且能准确描述准静态屈服应力。动态压缩下的峰值应力为失效应力, 说明试样在1 500 s-1以上应变率下未达到屈服应力时已经发生破坏。Johnson-Cook模型对于单条曲线拟合良好, 但无法准确描述材料的应变率相关性。     

高温环境下T300/BMP350拉伸力学行为研究

对不同温度下的耐高温树脂基复合材料T300/BMP350的0°和90°单向层合板进行静载拉伸实验,得到材料在不同温度下的应力-应变响应,分析了温度对材料的力学性能影响。通过高温应变片采集到材料在高温环境下的热输出和破坏时的极限应变,分析了材料的热行为。通过分析材料的应力-应变曲线和失效模式,研究了材料的损伤和失效机理。研究结果表明:T300/BMP350树脂基复合材料具有很好的耐高温性能。高温下0°方向的拉伸强度和模量保持率达到80%以上,90°方向的拉伸强度和模量保持率可以达到50%以上。高温环境对材料的极限应变影响不大,材料破坏模式均为脆性破坏。基于实验结果,对材料的强度随温度的变化进行拟合,预测了该材料在350℃时0°和90°的拉伸强度。     

双层多功能布的动静态力学性能及本构关系

针对双层多功能布的物理特性,利用材料试验机和分离式Hopkinson压杆装置,展开了准静态和动态条件下材料的单轴抗压实验,获得了材料在不同应变率下的应力应变曲线和材料的失效应力、应变。实验结果表明：双层多功能布的动态失效强度明显高于准静态失效强度,而且随着应变率的增加,其动态失效强度呈现增加的趋势,即该材料具有明显的应变率硬化效应。对应力应变曲线进行拟合,给出了材料的动静态粘弹性本构关系。并对双层多功能布在不同应变率下的失效应变及材料的损伤结果进行了初步的分析。     

45钢动态塑性本构参量与验证

运用静态实验机和SHPB装置,对45钢在常温～750C、应变率为10-4～103 s-1下的力学行为进行了研究,拟合得到了Johnson-Cook本构模型参量。开展了Taylor圆柱撞击的火炮实验,运用LS-DYNA进行了相应的数值模拟,通过二者的比较对本构模型参量进行了验证,表明所得模型参量可以较好地描述材料在高速变形下的大应变力学行为。     

Design and identification of high performance steel alloys for structures subjected to underwater impulsive loading

Martensitic and austenitic steel alloys were designed to optimize the performance of structures subjected to impulsive loads. The deformation and fracture characteristics of the designed steel alloys were investigated experimentally and computationally. The experiments were based on an instrumented fluid–structure interaction apparatus, in which deflection profiles are recorded using a shadow Moiré technique combined with high speed imaging. Fractographic analysis and post-mortem thickness reduction measurements were also conducted in order to identify deformation and fracture modes. The computational study was based on a modified Gurson damage model able to accurately describe ductile failure under various loading paths. The model was calibrated for two high performance martensitic steels (HSLA-100 and BA-160) and an austenitic steel (TRIP-120). The martensitic steel (BA-160) was designed to maximize strength and fracture toughness while the austenitic steel (TRIP-120) was designed to maximize uniform ductility, in other words, to delay necking instability. The combined experimental–computational approach provided insight into the relationships between material properties (strength, uniform ductility, and post-necking ductility) and blast resistance of structures. In particular, the approach allowed identification of material/structure performances by identifying impulse-center deflection behavior and the impulse leading to panel fracture.     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式，以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象，通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试，获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为，分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法，获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度，通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能，讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异，分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关，但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异；在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下，3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关，Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征，其断裂失效主要取决于材料的剪切强度，而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性，其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

先进高强度钢的断裂失效准则研究

先进高强度钢(AHSS)是通过相变获得高强度的应用前景最好的汽车轻量化材料。与传统深拉钢相比，AHSS韧性相对较低，在冲压成形过程中容易发生断裂，阻碍了它在汽车上的广泛应用，因而AHSS的断裂失效研究成为当前国内外研究的热点。本文以AHSS的代表钢种双相钢(DP)为研究对象，通过试验与数值计算相结合的方法研究其在不同三轴应力状态下的失效特性，尝试寻找一个适用于它的失效准则，用于其断裂失效的预测。     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

Parameters controlling fracture resistance in functionally graded materials under mode I loading

In this investigation the fracture behavior of functionally graded materials (FGMs) was studied by means of experiments carried out on model polymer-based FGMs. Model graded materials were manufactured by selective ultraviolet irradiation of ECO [poly(ethylene carbon monoxide)], a photo-sensitive ductile copolymer that becomes more brittle and stiffer under exposure to ultraviolet light. The mechanical response of the graded material was characterized using uniaxial tensile tests. Single edge notched tension graded ECO specimens possessing different spatial variations of Young’s modulus, failure stress and failure strain were tested under remote opening loading. A full-field digital image correlation technique was used to measure in real-time the displacement field around the crack tip while it propagated through the graded material. The measured displacement field was then used to extract fracture parameters such as stress intensity factor and T-stress, and thus construct resistance curves for crack growth in the FGMs. For this loading configuration it was found that the nonsingular T-stress term in the asymptotic expansion for stresses needs to be accounted for in order to accurately measure the fracture resistance in FGMs. In addition, the influence of local failure properties (i.e., failure stress and failure strain) on crack growth resistance was investigated in detail. It was found that depending on the combined effects of the spatial variation of these two failure parameters, regardless of the spatial variation of the Young’s modulus, the FGM fracture resistance can either increase, decrease or remain constant with continued crack growth.     

Application of a stress triaxiality dependent fracture criterion in the finite element analysis of unnotched Charpy specimens

Nonlinear dynamic finite element analysis (FEA) is conducted to simulate the fracture of unnotched Charpy specimens of steel under pendulum impact loading by a dedicated, oversized and nonstandard Bulk Fracture Charpy Machine (BFCM). The impact energy needed to fracture an unnotched Charpy specimen in a BFCM test can be two orders of magnitude higher than the typical impact energy of a Charpy V-notch specimen. To predict material failure, a phenomenological, stress triaxiality dependent fracture initiation criterion and a fracture evolution law in the form of strain softening are incorporated in the constitutive relations. The BFCM impact energy results obtained from the FEA simulations compare favorably with the corresponding experimental data. In particular, the FEA predicts accurately the correlations of the BFCM impact energy with such factors as specimen geometry, impactor tup width and material type. The analyses show that a specimen’s progressive deterioration through the thickness dimension displays a range of shear to ductile fracture modes, demonstrating the necessity of applying a stress state dependent fracture initiation criterion. Modeling the strain softening behavior helps to capture the residual load carrying capability of a ductile metal or alloy beyond the onset of damage. The total impact energy can be significantly under predicted if a softening branch is not included in the stress-strain curve. This research supports a study of the puncture failure of railroad tank cars under dynamic impact loading. Applications of the presented fracture model in failure analyses of other structures are further discussed.     

高韧性合金钢断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值的联合试验方法

在柴油机曲轴、连杆等关键零部件的可靠性设计和失效评估中,断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值分别是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展和裂纹开始扩展的重要指标．但是,对于高韧性合金材料,难以通过常规试验所推荐的厚度确定平面应变断裂韧性,而门槛值的测定通常不但非常耗时,且难以直接应用于不同循环特性的实际结构．本文针对高韧性合金钢34CrNi3MoA,提出一种将断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值试验合二为一的试验方法,即用同一个试件可以同时测定门槛值和断裂韧性．利用断裂韧性关于试件厚度的渐近特性,以几种较薄试件的试验,确定平面应变状态下的断裂韧性．试验结果还表明,裂纹扩展门槛值的试件厚度依存性可以忽略,并给出了任意循环特性（应力比）下的门槛值计算公式．     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。