基于J-C模型的镁合金MB2动静态拉伸破坏行为

为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为,利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB),对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载;拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系,建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则,并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟;利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明,随着应力三轴度的增加,镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小,宏观破坏模式由剪切转为正拉断,微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂;而随着应变率的增加,等效破坏应变不断减小,破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。     

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过104 s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。     

铝合金材料剪切断裂实验分析

金属材料受载作用发生断裂，断裂面形式有拉断，剪断和拉剪混合型，由于剪断过程中塑性变形较为复杂，问题的研究难度大，观点争论多，本文对LY12－M铝合金材料复合型平面应变载荷状态下的几种断裂试验结果作了分析，认为在II型，近II型时发生的剪切型断裂，启裂点在裂尖附近应力三维度取最大值处，剪断的开裂方向则与启裂点上最大剪应力方向有关，同时对LC9R超强铝合金作常规破坏试验，该材料在拉伸，扭转与压缩试验时均呈剪切断裂，断裂面沿最大剪应力方位，破坏剪应力随试件应力三维度的降低而增大，综合分析试验结果得到了一些有用的结论。     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

基于细观建模的电子束预控弹体破裂机理数值研究

为研究电子束预控弹体的破裂机理。提出了基于电子束预控弹体细观几何特性的参数化建模方法,建立了含基体、熔融区、过渡区和空腔区弹体的三维有限元模型,采用LS-DYNA软件对典型弹体的爆炸驱动和破裂过程进行了数值模拟分析。结果表明:电子束预控弹体破裂过程可分为:弹体膨胀后的空腔区在环向拉应力作用下产生拉伸断裂、过渡区产生裂纹扩展和拉伸断裂以及空腔区底部基体在两侧拉应力和底部压应力作用下产生与弹体内壁法线呈45°的剪切破坏3个阶段。数值模拟结果与回收的破片截面形状和破坏模式吻合较好。研究结果对电子束预控弹体破片成型控制具有参考价值。     

剪应力强度因子断裂准则

金属材料破坏的形式,可分为剪切断裂和解理断裂.破坏的剪切机理,就是在剪应力作用下的滑动过程.滑动的增加仅与滑动面的剪应力有关系,与垂直于滑动面的正应力无关.在三维应力状态下,由弹性力学理论得到正八面体平面上剪应力...     

激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏

采用选择性激光熔化增材制造技术，制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样，并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020 高速拉伸试验机，并结合数字图像相关性全场应变测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究，得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线，结果显示:(1) GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应；(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征，发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变；(3) GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大，断裂应变在中低应变率下保持不变，但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验，发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大，单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变；层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处，断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。     

爆炸与电磁加载下无氧铜环、柱壳的断裂模式转变

考虑断面收缩率、局域断裂应变以及平均断裂应变,并基于电磁膨胀环、爆炸膨胀环(柱壳)实验平台,研究了高纯无氧铜(TU1)环及柱壳在高应变率载荷下的膨胀断裂行为。采用高速摄影技术拍摄柱壳外壁的膨胀断裂形貌演化过程,用于确定柱壳平均断裂应变;利用激光干涉测速技术获得样品径向膨胀速度历史,用于确定加载应变率;利用样品的全回收测量及微观表征,确定了无氧铜环、柱壳的局域断裂应变及断裂模式。实验表明,随着应变率的增加,TU1材料的平均断裂应变增加,断面的收缩程度加剧,并在应变率约为1.0×104 s-1附近会出现明显的断裂模式转变,断面收缩率出现量级上的跳跃,从100变化至约103,局域断裂应变呈现明显的分区现象。     

AA7075-T6复杂加载状态下断裂极限研究

为研究航空铝合金AA7075-T6板材在复杂加载状态下的韧性断裂力学性能,设计4种包含不同应力状态的拉伸试验和液压胀形试验来获取材料的硬化特性和断裂参数。通过不同应变率和不同轧制方向的拉伸试验得到相应的应力-应变曲线,分别采用不同硬化模型和DF2016韧性断裂准则对其硬化行为和断裂特性进行表征。结果表明AA7075-T6狗棒试件在应变率为1 s^-1和10 s^-1时重复性较好,应变率为100 s^-1时应力-应变曲线出现明显的抖动,但随着应变率的增加没有出现明显的应变率强化效应。而且对比7个轧制方向的应力-应变结果发现,不同角度的拉伸强度和断裂应变基本相同。因此在研究范围内AA7075-T6表现为一种各向同性且关于应变率不敏感的材料。采用Swift-Voce硬化模型的预测效果最好,DF2016韧性断裂准则可以准确预测AA7075-T6在剪切、单轴拉伸、平面应变拉伸和等轴拉伸等不同应力状态的断裂位置。     

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度 (覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模 拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴 应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉 伸断裂应力,在102~104s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH,TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应：界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

Tensile-shear transition in mixed mode I/III fracture

The propensity of the transition of fracture type in either brittle or ductile cracked solid under mixed-mode I and III loading conditions is investigated. A fracture criterion based on the competition of the maximum normal stress and maximum shear stress is utilized. The prediction of the fracture type is determined by comparing τ_max/σ_max at a critical distance from the crack tip to the material strength ratio τ_C/σ_C, i.e., (τ_max/σ_max)<(τ_C/σ_C) for tensile fracture and (τ_max/σ_max)>(τ_C/σ_C) for shear fracture, where σ_C (τ_C) is the fracture strength of materials in tension (shear). Mixed mode I/III fracture tests were performed using circumferentially notched cylindrical bars made of PMMA and 7050 aluminum alloy. Fracture surface morphology of the specimens reveals that: (1) for the brittle material, PMMA, only tensile type of fracture occurs, and (2) for the ductile material, 7050 aluminum alloy, either tensile or shear type of fracture occurs depending on the mode mixity. The transition (in ductile material) or non-transition (in brittle material) of the fracture type and the fracture path observed in experiments were properly predicted by the theory. Additional test data from open literature are also included to validate the proposed theory.     

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。     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

表面粗糙度对6061铝合金薄壁管冲击膨胀断裂性能的影响

采用分离式霍普金森杆实验技术,对表面加工后不同粗糙度的6061铝合金薄壁圆柱管进行动态膨胀断裂冻结回收实验,并对薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等进行了研究。结果表明:相同冲击压力条件下,薄壁金属圆柱管表面粗糙度越大,材料越容易发生膨胀破裂;裂纹萌生于外壁面,由外向内扩展,并且裂纹的扩展主要受裂纹处应力状态的影响;薄壁金属圆柱管的断裂模式由拉伸和剪切断裂机制起主导作用,其断口为拉剪混合型断口。     

A variational approach to analyze a natural fault with hydraulic fracture based on the strain energy density criterion

A simplified analytical model of the interaction between a hydraulic fracture and an existing natural fault is developed. The mechanical activation of the natural fault as a result of contact with a pressurized fracture is described for plane strain conditions and quasi-static fracture propagation approximation. Using a variational approach, the normal and shear stresses, as well as the boundaries of the open and sliding zones along the fault, are predicted for three stages of the fracturing process (fracture approaching, coalescence, and fluid penetration). An accumulated concentration of shear stress at the tip of the fault’s sliding zone is shown to create sufficient tensile stress to initiate a new tensile crack on the opposite side of the fault, provided either the differential in situ stress is low or the friction coefficient is sufficiently large. The results of direct numerical simulation of the fracture interaction fit the model predictions made from the strain energy density fracture criterion.     

Effect of temperature on the fracture modes of BHW-35 steel under mode-II loading

Finite element method (FEM) has been used to analyze the stress and strain fields and the stress tri-axial levels around the tip of the crack under mode- II loading. The results show that: under mode- II loading, the direction of the maximum tensile stress and that of the maximum tri-axial levels (R _o ) exist at an angle of –75. 3° from the original crack plane; the maximum shear stress andR _o = 0 exist along the original crack plane.Mode- II loading experiment using BHW-35 steel at different temperatures show that there are two kinds of fracture mode, opening mode (or tensile mode) and sliding mode (or shear mode). A decrease in temperature causes the fracture mode to change from shear mode to tensile mode. For BHW-35 steel, this critical temperature is about –90 C. Actually, under any kind of loading mode (mode I . mode II , mode III or mixed mode), there always exist several kinds of potenital fracture modes (for example, opening mode, sliding mode, tearing mode or mixed mode). The effect of temperature under mode- II loading is actually related to the change of the elastic-plastic properties of the material.     

液压膨胀环恒应变率加载技术

膨胀环实验技术主要包括爆炸膨胀环实验技术和电磁膨胀环实验技术，实验过程中膨胀环的加载应变率在达到峰值后会随着圆环的膨胀而迅速降低，给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂带来极大的不便。在前期提出的液压膨胀环实验技术的基础上，发展了一种恒应变率加载技术。首先，从理论上获得了实现金属圆环恒应变率膨胀所需的液压加载曲线的近似表达式；然后，采用有限元流固耦合数值模拟了液压膨胀环装置中1060-O铝环的膨胀碎裂过程，在给定液压加载曲线下，膨胀环的环向应变率在应变率稳定阶段上下波动范围最大不超过20%；并进一步研究了加载曲线对碎裂过程中应变率的影响规律。在液压膨胀环实验装置上对1060-O铝环开展了膨胀环实验，验证了恒应变率加载技术的可行性。