再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响

使用二辊轧机对TA2工业纯钛进行多道次大应变冷轧处理,制备了冷轧总变形量为70%的TA2纯钛板。通过对冷轧TA2纯钛板进行500℃加热、不同保温时间的退火处理,获得了具有不同再结晶组织的钛板。基于帽形试样和限位环变形控制技术,在分离式霍普金森压杆装置上对不同再结晶组织的试样进行动态冲击冻结实验,结合光学显微镜和扫描电子显微镜表征试样冲击前后微观组织的变化,研究了再结晶组织对TA2纯钛绝热剪切行为的影响。结果表明,随着退火保温时间的延长,试样再结晶晶粒占比逐渐增大,晶粒分布由分散向局部聚集转变;在相同应变和应变率下,在所有试样中都观察到了绝热剪切带,再结晶晶粒占比高的试样更易诱发绝热剪切带中裂纹形核扩展。对比变形前后试样再结晶组织和几何必需位错变化,结合剪切区整体温升分析发现,再结晶晶粒作为材料软化点能够诱发剪切带的形成,而剪切带发展后期产生的绝热温升会促进剪切带内材料发生二次再结晶,提高剪切带内材料的韧性,延缓剪切裂纹的形成。     

TC4在动态载荷下的剪切行为研究

使用分离式霍布金森压杆(SHPB)对2种TC4(Ti-6Al-4V)试样(单边剪切试样与双边剪切试样)在应变率104 s-1下进行动态剪切加载，利用SIM D8高速照相系统捕捉了绝热剪切带扩展的整个历程，得到了TC4在拍照时刻的应力应变曲线；使用金相显微镜和SEM扫描电镜对TC4绝热剪切带的微观形貌进行观察，发现绝热剪切带宽度为5~12 μm，断口从韧窝断裂演变为解理断裂，可观测到韧窝状与河流花样断口形貌，但是并未看到相变的发生；对2种试样就产生绝热剪切带的形式与敏感性进行了分析，实验表明双边试样更易产生绝热剪切带；通过高速照相系统的标定换算，得到TC4绝热剪切带产生的临界剪切应变在78%~88%之间。在SHPB动态加载条件下，TC4绝热剪切带的扩展速度在460~1 250 m/s之间，且应变率越高，剪切带扩展越快，扩展平均速度与名义应变率近似呈线性关系；另外，在同一加载速率下，剪切带并不是匀速扩展，其扩展速度随载荷的增加而不断增加。     

快速加载下TNT材料中绝热剪切带的细观研究

本文对快加载后的国产ＴＮＴ材料，采用光学显微镜和扫描电镜观察，研究了其显微组织，结果表明：在快速加载条件下材料中有绝热剪切带生成。剪切带在细观上的表现形式为：（１）以应变高度集中，晶粒剧烈扭曲为特征的细观组织形貌；（２）在局部区域，晶粒被急剧拉长，形成粗亮而边界清晰的剪切带。在快速加载条件下ＴＮＴ材料中绝热剪切带的产生同时取决于应变和应变切带。在快速的加载条件ＴＮＴ材料中绝热剪切带的产生同时决于应     

高速切削锯齿形切屑内绝热剪切带微观特征研究

使用光学显微镜、显微硬度计、X射线衍射、SEM、TEM等方法对高速切削30CrNi3MoV高强度钢锯齿形切屑中第一和第二变形区内形成绝热剪切带和白层进行了观察和研究。结果表明,形成了两种形式的绝热剪切带,即低速下形成的形变带和高速下形成的转变带。转变带内的硬度高于形变带和切屑基体。X射线衍射表明白层内发生了马氏体相变。TEM观察发现,形变带内为经历了大塑性变形的回火马氏体组织。转变带是由尺寸为50～100 nm的等轴晶组成,绝热剪切带形成过程中发生了动态再结晶。     

动态载荷下剪切变形局部化、微结构演化与剪切断裂研究进展

总结和评述了近年来金属与合金变形局部化的形成、微结构演化与剪切断裂方面作者和相关的研究工作成果. 材料包括低碳钢, SS304不锈钢, Fe-15%Ni-15%Cr单晶, Al-Li合金,α-Ti和Ti-6Al-4V, Al/SiCp复合材料等.综述内容主要包括:采用改进的Hopkinson扭杆装置,对剪切变形局部化形成、发展和演化过程进行了实验观察与数值模拟;采用"侧剖"与"对接"等定点方法制备电子显微镜薄膜试样,对剪切带内相变与再结晶、非晶转变、旋涡结构等动态变形现象,以及与宏观动态力学行为对应的位错胞的形成、发展和坍塌等微结构特征进行了观测;提出了应变和应变率同时作为剪切带形成的两个必要条件的直接实验证据;在剪切带内发现了α'$-马氏体相变现象,以及相变产物与母体之间的晶体学关系;通过位错单滑移或交滑移等微观剪切最后发展成为宏观剪切的机制;对剪切带内再结晶结构的观测和对再结晶动力学本构关系的定量描述;对剪切带特别是``白色'腐蚀带(或相变带)的形成机制的分析和新的解释,指出 ``白色'是带内亚结构取向趋于一致,其在光学或扫描显微镜下很难辨认这些亚结构的取向差所致,并非表明剪切带内一定发生了相变;通过截断实验和实时跟踪观测发现,剪切带内微裂纹的萌生与聚合是材料承载能力骤然下降并导致最后断裂的主控因素.此外,本文对近年来在准静态和循环加载下材料的局部化形变与剪切断裂的实验结果予以简要评述,指出其微观机制与动态载荷下的截然不同, 是由位错的平面滑移所控制的,与热效应无关的等温变形.      

0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢绝热剪切破坏分析

应用分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置对0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢圆柱试件进行动态冲击实验。当用300 mm子弹、以50 m/s的速度加载,真应变达到45%时,不锈钢发生以轴线为对称轴的圆锥型破坏。但是用100 mm的子弹以同样的速度进行多次加载,真应变达到80%时,试件仍保持完好。说明试件的破坏与绝热条件有关。对处于破坏临界状态的试件进行金相观察发现：在横截面上,一个圆环形区域内的晶粒被拉长错位;而通过轴线的纵剖面内则有一个与轴线呈45°、宽度约10μm的狭长矩形区域内的晶粒被拉伸成“Z”字形,形成绝热剪切带,晶粒变形从端面到中心逐渐减弱。当高速变形继续进行时,该区域的温度会继续升高,试件将发生绝热剪切破坏。     

试样形状对轴承钢绝热剪切带微观组织的影响

绝热剪切带(ASB)的微观组织受试样几何形状的影响。对圆柱、帽形和剪切压缩型三种不同形状的试样进行分离式霍普金森压杆高速冲击试验，研究试样形状对轴承钢绝热剪切带的形成和微观组织的影响。结果表明，在应变率为1 800～3 100 s^-1的范围内，材料对应变率的敏感性很低。圆柱试样呈现明显的应变硬化，而帽形试样和剪切压缩型试样(SCS)在不同应变率下分别出现应变硬化和无应变硬化的特征，但流变应力并未因应变硬化而提高。试样形状对ASB的微观形貌和组织有很大影响。圆柱试样上产生了窄且细长的ASB，只发生了应变诱发的晶粒细化，属于形变ASB；帽形试样和SCS则形成大片状的ASB，由等轴晶组成，且发生了体心立方体(BCC)马氏体转变为面心立方体(FCC)奥氏体的相变，属于相变ASB。尤其是SCS中ASB的等轴晶，有非常清晰的晶界，是典型的动态再结晶晶粒。温升计算结果显示，圆柱试样ASB的温升远低于奥氏体相变温度，而帽形试样和SCS的温升高于马氏体的熔点，导致局部熔融。     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态，研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下，电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大，随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程，具有与基体完全不同的等轴晶形貌，晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构，既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构，也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构，即(111)沿着宏观剪切面，<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界，同时存在与基体相同的孪生织构，可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为。计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型。钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson Cook模型。为了得到不同尺度的变形信息 ,计算中用了两种网格 ;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌 ;接着 ,用细密网格 (在变形局部化区域 ,网格尺寸达到 10 m)分析绝热剪切带的形成和发展。有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致。计算结果表明 ,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关。     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模拟

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为.计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型.钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson-Cook模型.为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到10μm)分析绝热剪切带的形成和发展.有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致.计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关.     

A NOVEL APPROACH TO TESTING THE DYNAMIC SHEAR RESPONSE OF Ti-6Al-4V

Modifications were made on the traditional split Hopkinson pressure bar (SHPB) system to conduct dynamic shear tests. The shear response of Ti-6Al-4V was acquired at a shear strain rate of 10 4 s 1 by using this modified apparatus. The geometry as well as the clamping mode of the double-notch specimen was optimized by commercial FEM software ABAQUS, and the feasibility of the experiment set-up was validated. A shear stress calibration coefficient of τ = 1.03 and a shear strain calibration coefficient of Γ = 0.50 were obtained.We have employed high-speed photography to record the deformation process, especially the initiation and propagation of adiabatic shear band (ASB), during the dynamic shear test. The frames show that the time duration from ASB initiation to its completion is less than 2 μs, from which we can estimate that the propagation speed of ASB within Ti-6Al-4V is more than 1250 m/s under such loading conditions. The temperature rise within ASB is also estimated to be T 2 ≈ 1460℃ based on energy balance. Such high temperature has led to softening of the material within the ASBs, and has intensified the shear localization and finally resulted in fracture of the material.     

不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

On criteria for dynamic adiabatic shear band propagation

In this work, we postulate the physical criterion for dynamic shear band propagation, and based on this assumption, we implement a numerical algorithm and a computation criterion to simulate initiation and propagation of dynamic adiabatic shear bands (ASBs). The physical criterion is based on the hypothesis that material inside the shear band region undergoes a dynamic recrystallization process during deformation under high temperature and high strain-rate conditions. In addition to providing a new perspective to the physics of the adiabatic shearbanding process and identifying material properties that play a crucial role in defining the material's susceptibility to ASBs, the proposed criterion is instrumental in numerical simulations of the propagation of ASBs when multi-physics models are adopted to describe and predict the complex constitutive behavior of ASBs in ductile materials. Systematic and large scale meshfree simulations have been conducted to test and validate the proposed criterion by examining the formation, propagation, and post-bifurcation behaviors of ASBs in two materials, 4340 steel and OFHC copper. The effects of heat conduction, in particular the length scale introduced by heat conduction, are also studied. The results of the numerical simulations are compared with experimental observations and a close agreement is found for various characteristic features of ASBs, such as the shear band width, speed of propagation, and maximum temperature.     

圆柱形爆炸容器绝热剪切瞬态失效过程

开展了圆柱形爆炸容器逐级加载和破坏实验,根据容器最终的断裂面和微观形貌观测,提出了爆炸容器绝热剪切失效模式.建立了应变率-应变空间内的绝热剪切损伤演化模型,将绝热剪切不同演化阶段的临界状态与宏观的力学条件联系起来,并将这些力学临界条件作为动态失效准则引入到宏观计算程序中,模拟爆炸容器发生绝热剪切的的瞬态过程,模拟结果成...     

921A 钢纯剪切帽状试件绝热剪切变形的数值模拟

结合相关实验,通过一系列基于921A 钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟,研究试件的绝热剪 切行为,分析试件内绝热剪切带(ASB)的产生、发展以及相应的试件温度场分布。研究发现:ASB是通过剪 切区两端高温高应变的不稳定区域的扩展而形成;ASB的扩展速率与加载速率相关;在本文加载速率范围 内,ASB带宽无明显变化,均为约70m,基本与所设计的试件剪切区宽度一致;且对应所有加载速率,ASB 均为形变带。     

高锰钢帽型样品在高速冲击下的剪切行为

绝热剪切带是材料在高速变形时一种典型的破坏形式,为了更好地理解高速冲击过程中绝热剪切带的形成和扩展,基于Johnson-Cook本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件对高锰钢帽型样品高速冲击过程的剪切行为进行了二维数值模拟。结果表明:横穿剪切带方向,应力应变分布都是剪切带中心最高,然后向两边逐渐降低,类似于高斯分布; 平行于剪切带方向,应力应变分布则是呈两端高中间低的特点。然后利用模拟的应力应变场分布确定了剪切带和裂纹形成及扩展方向,即从剪切区两端形成并向中间扩展;最后通过编辑软件的k文件直接得到了剪切带内部及周围形变影响区和基体的温度分布,其和应力应变场分布规律一致,结果与实验结果基本吻合。     

先进钻地弹高速侵彻实验中质量磨蚀金相分析

开展2组先进钻地缩比弹高速侵彻混凝土实验,侵彻速度在1130~1650m/s之间。针对弹体结 构特点,金相分析了侵彻后剩余弹体,发现弹体与靶接触的表面(包括弹头和壳体段)均存在明显热影响区 (Heataffectedzone,HAZ),而与靶脱离接触部分未发现明显热影响区,因而弹靶相互作用是热影响区产生的 主要原因。在弹尖部位存在少量绝热剪切带(Adiabaticshearingband,ASB),其对弹体质量损失有一定贡献, 但在实验撞击速度范围内其影响有限。ASB可能引起弹尖非对称磨蚀,进而降低弹体侵彻性能。     

Adiabatic shear banding in plane strain tensile deformations of 11 thermoelastoviscoplastic materials with finite thermal wave speed

We study the initiation and propagation of adiabatic shear bands (ASBs) in 11 homogeneous materials each modeled as microporous, isotropic and thermoelastoviscoplastic, and deformed in plane strain tension. The heat conduction in each material is assumed to be governed by a hyperbolic heat equation; thus thermal and mechanical waves propagate with finite speeds. The decrease in the thermophysical parameters due to the increase in porosity is considered. An ASB is assumed to initiate at a material point when the maximum shear stress there has dropped to 80% of its peak value for that material point and it is deforming plastically. An approximate solution of the coupled nonlinear partial differential equations subject to suitable initial and boundary conditions is found by the finite element method (FEM). In contrast to the Considerè and the Hart criterion, it is found that an ASB initiates when the axial load drops rapidly and not when it peaks. The refinement of the 40 × 40 uniform FE mesh to 120 × 120 uniform elements decreased the ASB initiation time by 2.1% while increasing the CPU time by a factor of ∼26. By locating points where the ASB has initiated we find its current length, width and speed. The 11 materials are ranked according to the time of initiation of an ASB under otherwise identical geometric and loading conditions with the same initial nonuniform porosity distribution. This ranking of materials is found to differ somewhat from that ascertained by Batra and Kim (1992) who studied simple shearing deformations, and by Batra et al. (1995) who analyzed three-dimensional torsional deformations of thin-walled tubular specimens. The average axial strain determined from the maximum axial load condition differs noticeably from that when an ASB initiates.