铀合金动态力学性能的研究

本文利用分离式霍布金生压杆研究了四种国产铀合金的动态力学性能,给出了这些材料随应变率和环境温度变化的本构关系。实验结果表明,国产铀合金具有与钨合金相当的动态强度,是钨穿甲弹中弹芯材料的极好替代物。     

W-Ni-Fe合金静动态力学性能及数值模拟研究

采用MTS材料实验机和旋转盘式间接杆--杆型冲击拉伸试验装置对质量百分数为91%的钨合金材料力学性能进行了研究. 基于试验结果, 建立了具有钨合金典型细观结构的单胞有限元模型, 采用不动点迭代方法给出了该有限元模型的真实位移条件, 分析了不同颗粒度形状以及钨颗粒体积含量等细观参量对钨合金材料在不同载荷作用下力学性能的影响, 给出了钨合金材料在不同载荷作用下的应力--应变曲线, 并与试验结果进行了对比, 二者具有较好的一致性. 通过数值模拟发现不同颗粒度的钨合金材料均为应变率敏感材料; 钨颗粒长径比对材料力学性能的影响不大; 随着钨颗粒质量分数的增加, 钨合金材料的屈服应力有所提高.      

WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.      

DYNAMIC MECHANICAL BEHAVIOR AND PENETRATION PERFORMANCE OF WFeNiMo HIGH-ENTROPY ALLOY 1)

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.     

离心铸造二元钛合金的摩擦磨损性能研究

采用钨电极熔化、离心浇注工艺制备Ti-Mo、Ti-Nb和Ti-Cr二元钛合金,利用CJS111A型球-盘式摩擦磨损试验机评价其干摩擦磨损性能,研究合金元素对钛合金耐磨性的影响,采用扫描电子显微镜观察合金磨损表面形貌,利用机械性能显微探针测量磨痕轮廓,分析了几种合金的磨损机理.结果表明:当合金中Mo、Nb及Cr元素的质量分数为5%时,几种二元合金的稳态摩擦系数相差不大;当Mo、Nb及Cr元素的质量分数为10%时,Ti-10Mo合金与Ti-10Nb合金的稳态摩擦系数相差不大,Ti-10Cr合金的稳态摩擦系数较大;几种合金中,硬度较低的Ti-5Nb合金试样的磨痕深度最小,硬度最高的Ti-5Cr合金试样的磨痕深度最大;Ti-Mo合金和Ti-Nb合金的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损共同作用,而Ti-Cr合金则以磨粒磨损为主.     

中高熵合金的动态力学行为研究进展

中高熵合金是近二十年提出的一种多主元金属合金，打破了传统合金以1-2种金属元素为主元的设计理念.中高熵合金由于多主元的成份设计提高了材料的构型熵和混合熵，展现出许多奇特的组织结构和性能.相比铝合金、钛合金以及钢铁等传统金属，中高熵合金表现出优异的准静态力学性能和动态力学性能等.在高应变速率下，材料的塑性变形受到更多因素的影响，如应变率、温度等.本文首先介绍中高熵合金动态力学性能(包括动态剪切、夏比冲击，动态层裂强度，侵彻自锐性等)的相关研究，并总结了中高熵合金动态变形的微结构变形机理；随后综合概括了中高熵合金中绝热剪切带行为和温度效应的研究现状；最后对中高熵合金在冲击动力学领域的应用和研究趋势提出展望.     

钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象

对钨合金穿甲弹和钨纤维/Zr合金金属玻璃基复合材料穿甲弹进行了靶场对比侵彻实验。穿甲弹侵彻过程中,钨合金弹芯头部形成蘑菇头、头部晶粒被径向压扁;钨纤维复合材料弹芯头部在侵彻过程中,发生了绝热剪切破坏,具有自锐行为,且在弹芯头部形成很薄的边缘层,仅在这层中金属玻璃基体破碎,钨纤维断裂,温度升高,质量消蚀。钨纤维复合材料穿甲弹的侵彻能力明显高于钨合金穿甲弹。     

AlCoCrFeNi高熵合金的高温摩擦磨损性能

AlCoCrFeNi高熵合金因其优异的综合力学性能而有望成为新一代高温结构材料,但对其高温摩擦磨损性能的研究还较为少见.本文中应用放电等离子烧结(SPS)技术制备了AlCoCrFeNi高熵合金,研究了其显微组织和力学性能,系统地考察了其在室温至800℃时的摩擦磨损性能.结果表明:应用SPS技术制备的AlCoCrFeNi高熵合金主要由FCC相、无序BCC相和少量有序BCC相组成;呈网格状分布的FCC相使高熵合金具有良好的塑性和韧性,而呈等轴状分布的BCC相赋予了高熵合金优异的强度;高熵合金室温至800℃时的摩擦系数在0.43~0.51之间,磨损率低于10–5mm3/(N·m).室温至中温阶段主要为磨粒磨损,中温至高温阶段的磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和塑性变形综合作用.高温下高熵合金表面形成了一层主要由为Al2O3和Cr2O3组成的氧化物膜,在一定程度上起到抗磨作用.     

CoCrFeMoNiCx中熵合金的组织及其力学和摩擦学性能

采用真空感应熔炼技术制备了CoCrFeMoNiC_x (x=0、1、2、3、4和5)系列中熵合金,研究了C元素的掺杂及其含量对合金微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:CoCrFeMoNiC_x系列中熵合金主要由体心立方(BCC)相组成;C原子间隙固溶于BCC相,增大了合金的晶格常数,在XRD谱图中表现为衍射峰随着C含量的增加向小角度方向偏移;当C的质量分数大于2%时,BCC晶粒中有少量条状碳化物形成;随着C含量的增加,合金的硬度、强度和断裂韧性等力学性能显著提高,主要归因于C原子的间隙固溶强化效应和少量条状碳化物的出现. 与此同时,合金的磨损率持续降低,表现出良好的耐磨损性能. 室温下的磨损机制为磨粒磨损、塑性变形和疲劳磨损.      

预扭转钨合金杆弹侵彻钢靶的数值模拟

在实验的基础上 ,对预扭转钨合金长杆弹提出了一个唯象的本构模型和破坏准则 ,并针对预扭转钨合金长杆弹侵彻厚钢靶进行二维有限元计算 ,得到了侵彻过程中的主要物理图象和曲线 ,进而对计算结果进行了分析讨论。计算结果表明 ,侵彻过程中的主要物理数据与实验测量结果基本一致。     

Heterogeneous deformation and spall of an extruded tungsten alloy: plate impact experiments and crystal plasticity modeling

The role of microstructure in the dynamic deformation and fracture of a dual phase, polycrystalline tungsten alloy under high-rate impact loading is investigated via experiments and modeling. The material studied consists of pure tungsten crystals embedded in a ductile binder alloy comprised of tungsten, nickel, and iron. The tungsten crystals are elongated in a preferred direction of extrusion during processing. Plate impact tests were conducted on samples oriented either perpendicular or parallel to the extrusion direction. Spatially resolved interferometric data from these tests were used to extract wave propagation behavior and spall strength dependent upon position in the sample microstructure. Finite element simulations of impact and spall in digitally reproduced microstructural geometries were conducted in parallel with the experiments. Finite deformation crystal plasticity theory describes the behavior of the pure tungsten and binder phases, and a stress- and temperature-based cohesive zone model captures fracture at grain and phase boundaries in the microstructure. In results from both experiments and modeling, the grain orientations affect the free-surface velocity profile and spall behavior. Some aspects of distributions of free-surface velocity and spall strength among different microstructure configurations are qualitatively similar between experimental and numerical results, while others are not as a result of differing scales of resolution and modeling assumptions. Following a comparison of experimental and numerical results for different microstructures, intergranular fracture is identified as an important mechanism underlying the spall event.     

钨合金三点弯曲破坏的细观数值模拟

运用有限元方法模拟了钨合金材料的三点弯曲实验;采用单胞单元计算模型,分析了断口形貌与材料力学性能之间的关系;建立了宏观断裂形式与微观结构参数之间的关联.结果表明:裂纹主要产生在 W-W 界面、W-M 界面,且在基体中向前发展,钨合金材料的破坏可归结为延性材料的破坏;裂纹的尖端始终处于应力集中的状态,随着裂纹的扩展,拉应力集中不断释放,并且转移到新的裂纹尖端;裂纹尖端的单元为拉伸破坏,拉应力是导致裂纹扩展的主要因素.     

爆炸压实/扩散烧结法制备钨铜梯度材料

采用爆炸压实/扩散烧结方法成功制备出高致密度的钨铜梯度材料。首先，使用机械合金化法分别制备50% W-50% Cu，75% W-25% Cu的钨铜合金粉末，并将两种合金粉末依次铺在铜板表面进行预压、通氢烧结，然后进行爆炸压实，最后对爆炸压实后的试件进行扩散烧结，得到高致密度且层间结合紧密的钨铜梯度材料。对样品分析表明，铜在钨铜颗粒间的交界面处富集，其中50% W-50% Cu层中的钨颗粒未发生长大，75% W-25% Cu层中钨与铜出现了在局部区域富集的情况，钨铜层中钨铜的含量与起始加入的钨铜粉末配比保持一致。对各钨铜层进行孔隙度检测可见，50% W-50% Cu层的孔隙度为0.04%，75% W-25% Cu层的孔隙度为0.11%。钨铜层的硬度也呈现出梯度变化，维氏硬度值在125~341之间，远大于铜基体的50。     

钽-钨合金动态响应特性研究

用冶金技术与冲击波物理实验相结合的方法,研究了钽 钨合金不同初始状态和不同钨含量时的材料动态响应特性,给出了Ta12W 合金材料的动态断裂强度、Hugoniot 弹性极限、屈服强度以及理想弹 塑性本构关系中包含的其它本构参量。     

预扭转钨合金杆弹侵彻能力的细观研究

对预扭转和未扭转钨合金杆弹弹道实验后的残余弹体和碎片进行了细观金相分析 ,发现钨合金预扭转后钨晶粒变形方向与最大剪应力方向接近 ,因此在弹靶冲击过程中有利于绝热剪切变形和剪切破坏的发生。钨弹残余弹头上观察到的绝热剪切带说明 ,预扭转弹在侵彻过程中要比未扭转弹更易于自锐 ,这是预扭转杆弹侵彻能力得到提高的根本原因。     

粉末烧结钨合金材料的绝热剪切研究

在分离式霍普金森压杆装置上对斜圆柱粉末烧结钨合金试件进行了冲击实验,由于斜圆柱结构中剪切分量在冲击压缩中的持续作用,实验中观察到了宏观破断现象。利用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对试件断面和试件的纵截面进行了分析,观察到了贯通钨颗粒的绝热剪切带这一变形局部化现象。对粉末烧结钨合金绝热剪切破坏机制进行了分析。