聚碳酸酯的高应变率拉伸实验

为了解应变率对聚碳酸酯拉伸力学行为的影响,在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机和MTS809材料试验机上,对聚碳酸酯棒材进行了高应变率和准静态加载下的单向拉伸试验,应变率分别为380 s-1、800 s-1、1750 s-1和0.001 s-1、0.05 s-1,得到了聚碳酸酯的拉伸应力应变曲线.试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和失稳应变随应变率的增加而增大.依据试验结果,采用朱王唐粘弹性本构模型来描述聚碳酸酯的非线性粘弹性拉伸力学行为.模型结果显示,在本文实施的应变率范围内,朱王唐模型可以较好地表征聚碳酸酯的拉伸应力应变响应.     

纳米丝应变率效应的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟了零温时不同应变率作用下纳米丝的拉伸力学行为．计算结果表明在缺乏热激活软化机制条件下，纳米丝应变率效应呈现出与宏观应变率试验结果相一致的特征．纳米丝在不同的应变率范围具有不同的变形机制．在应变率不敏感区和敏感区，纳米丝主要以位错运动作为塑性变形机制；在应变率突变区，纳米丝通过局部原子混乱区的持续扩展乃至整体结构的非晶化作为塑性变形机制．     

多晶纯钛在高应变率不同温度下的拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的旋转盘冲击拉伸试验机,对多晶纯钛进行了应变率为0.001s-1和300s-1、温度为298K至973K的拉伸试验和应变率为300 s-1不同温度下的冲击拉伸复元试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变曲线和高应变率等温应力应变曲线。试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为具有应变率和温度相关性。采用修正的Johnson-Cook模型进行数值拟合,结果表明,该本构模型能较好地表征多晶纯钛在试验应变率和温度范围内的拉伸力学行为。     

高应变率拉伸SHB试验设备的研制和测试技术

本文介绍了自行研制的用于高应变率试验的分离式霍布金生拉杆设备，从一维应力波理论出发，详细推导了拉伸和压缩ＳＨＢ方法测量动态应力应变关系的计算公式；并利用本设备对硬铝合金ＬＣ进行了不同高应变率拉伸试验，得到相应的应力应变关系。     

基于Hopkinson杆的材料高应变率拉伸实验技术

分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Bar)是测试材料在高应变率加载下力学行为的一种有效的实验手段.本文基于霍普金森杆测试原理,设计和研制了气枪式变截面间接杆杆型高应变率拉伸实验装置.该装置具有完备的、高精度的水平和轴向基准,采用等高的固定支撑,保证了杆-杆型实验系统具有良好的共轴度;入射杆与撞击套筒之间设有导向管,避免了撞击套筒直接与入射杆接触而产生的相互干扰;在导向管内设有支撑圈,以减小入射杆与导向管直接接触而产生的摩擦,并消除入射杆的径向跳动;采用前置金属短杆来获得光滑、平稳且幅值和宽度可调的拉伸入射加载脉冲.对LY12CZ铝合金在两种应变率下初步的验证性实验表明,该高应变率拉伸实验装置的设计是合理的,实验获得的应力—应变结果是可靠、有效的.     

中应变率拉伸载荷下DZ2车轴钢的动态力学响应与微观组织演变

高速列车运行过程中车轴可能遭受不同程度的冲击载荷作用，导致车轴的结构损伤与破坏，从而影响列车运营安全和服役寿命.因此，明晰冲击载荷下车轴材料的力学响应和变形损伤行为，对高速动车组车轴的运维与设计具有重要意义.论文研究了DZ2车轴钢在中应变率(0.1～100 s^-1)拉伸条件下的力学性能和微观结构演变，揭示了DZ2车轴钢的变形与失效机理，构建了可准确描述DZ2车轴钢力学响应行为的Zerilli-Armstrong模型.结果表明，位错滑移和韧性断裂是DZ2车轴钢塑性变形和失效的主要机制，但由于位错运动状态的改变，其强度的应变率依赖性在不同应变率范围内存在较大差异.当应变率低于10 s^-1时，DZ2车轴钢内的位错密度低，位错运动阻碍作用小，其强度不会随应变率增加而显著变化，具有低的应变率敏感性；而在应变率超过10 s^-1后，DZ2车轴钢内的位错密度大幅度增加，位错运动速率加快，位错短程作用增强，从而增大了材料的变形抗力，材料的强度随应变率增加而增大，表现出显著的应变率强化效应，应变率敏感性也明显提高.与实验数据相一致，Zeri...     

316L不锈钢不同取向压痕应变率敏感性研究

本研究探讨了不同取向对激光选区熔化(SLM)成形316L不锈钢力学性能的影响．使用纳米压痕测试系统对SLM成形316L不锈钢扫描平面方向和叠加成形方向两个取向的试样进行测试,并通过相关计算得出了材料在这两个方向的弹性模量、硬度、应变率敏感性指数等力学参数．实验结果表明,扫描平面方向的弹性模量和叠加成形方向的弹性模量基本相同;在相同的压入应变率下,扫描平面方向的硬度大于叠加成形方向的硬度;而对于不同的压入应变率,在高应变率下的压痕硬度相对较大;随着压入深度的增加,硬度逐渐减小并趋于稳定值．此外,本研究分析了不同压入应变率下硬度和应变率敏感性指数m的压痕尺寸效应,并得到与尺寸无关的硬度和应变率敏感性指数m．最后,通过引入扫描平面方向准静态宏观压缩工况下的应变率敏感性指数m加以验证本研究的合理性,揭示了SLM成形316L不锈钢在不同取向上应变率敏感性的差异,进而为研究准静态宏观压缩下叠加成形方向的应变率敏感性提供了支撑．     

焊锡材料的应变率效应及其材料模型

采用分离式霍普金森压杆和拉杆实验,研究了含铅Sn37Pb、无铅Sn3.5Ag和Sn3.0Ag0.5Cu3种焊锡材料在600~2200s^{-1}应变率下的力学性能,得到了它们在不同应变率下的应力应变曲线. 根据实验数据建立了3种焊锡材料的应变率无关弹塑性材料模型和率相关Johnson-Cook材料模型,并用于模拟板级电子封装在跌落冲击载荷下焊锡接点的力学行为. 结果表明,高应变率下无铅焊料比含铅焊料对应变率更敏感,其抗拉强度为含铅焊料的1.5倍,其韧性也明显高于含铅焊料;在跌落冲击过程中,焊锡接点经历的应变率可达到1000s^{ -1}左右;给出的率相关Johnson-Cook材料模型能预测出比率无关的弹塑性模型更合理的应力应变结果.      

应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性

基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s?1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。     

钛合金TB-2在高应变率下的动态应力应变关系

用分离式Hopkinson压杆对国产型钛合金TB-2的动态应力应变关系在高达3103S-1的高应变率下作了实验研究。试验结果表明TB2对应变率高度敏感,其本构关系可用Malvern粘塑性方程来表达。从高速变形下热-力学耦合的观点讨论了其应变硬化模量随应变率的增加而降低,从而有应变率敏感系数随应变增大而降低的特性。     

钛镍形状记忆合金冲击变形后形状记忆效应的研究

采用SHPB技术和可控速率循环加温条件下变形恢复量测定装置研究了冲击及静载变形后的TiNi形状记忆合金的单程及双程形状记忆特性。发现马氏体状态下的TiNi合金的力学特性显示出明显的应变率强化效应 ,并且高应变率压缩应力应变曲线呈现流动平台。应变率对形状记忆效应的影响具有双重性 ,当外加应力或残余应变较小 ,可逆非弹性变形机制起主导作用时 ,提高应变率可以增加其单程形状记忆效应 ;而随外加应力或残余应变增大 ,当基于位错机制的不可逆非弹性变形机制起主导作用时 ,应变率提高却抑制了其单程形状记忆效应。应变率对TiNi合金双程形状记忆效应的影响视塑性变形的大小而异 ,高应变率动载后的双程形状记忆效应在较小塑性应变时 ,比静载后的要强 ;但在较大塑性应变时两者差别不大。     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

定向凝固多晶铁磁形状记忆合金力-温度耦合的实验研究

铁磁形状记忆合金兼具大输出应变与高响应频率等综合特性,是新一代驱动与传感材料。采用定向凝固技术制成的多晶铁磁形状记忆合金具有较多优越的力学性能。本文对温度和应力耦合作用下的定向凝固多晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试,分别获得了定向凝固多晶Ni-Mn-Ga试样在不同恒定温度时的应力-应变循环曲线,以及试样在压缩时两个互相垂直方向的数字散斑图。结果表明:同一恒定温度时,随着应力循环次数的增加,其应变值逐渐减小;同一压缩应力时,不同温度作用过程中定向凝固方向的应力,随着温度的升高逐渐减小。本文结果可为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

低应变速率下形状记忆合金的特性实验研究

形状记忆合金以其特有的形状记忆效应和超弹性,被广泛应用于医学、航空和建筑防震。在耗能性机构中,需要形状记忆合金能够在变速率条件下工作。为了获得非静态条件下的行为特性,比较静态和非静态条件下形状记忆合金的行为特性的差异,本文采用一种新的分析方法,即以形状记忆合金的特性参数为对象,来分析不同应变速率对形状记忆合金特性的影响。在不同的应变速率(0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s)下,对50.8at%-Ni-Ti记忆合金丝的形状记忆效应和超弹性特性进行了实验研究。在低应变速率范围内,由实验结果得到:随应变速率增大,两种特性行为中的各纯相的杨氏模量保持不变;拉伸过程相变起始和终了临界应力会增大,卸载过程相变起始和终了临界应力会减小,滞后环面积增大;相变硬化系数在形状记忆效应行为中会增大,而在超弹性行为中基本不变。     

铝合金2A70高应变率力学性能及其本构关系实验研究

在室温下,利用分离式Hopkinson拉杆系统进行了平行和垂直流线方向切割的铝合金2A70圆棒试样的高应变率(1300~2300/s)拉伸实验;利用分离式Hopkinson压杆系统进行了圆柱试样的高应变率(1100~11000/s)压缩实验,分析了应变率与试样切割方向对试样力学性能的影响,并对比研究了不同应变率下试样断口的形貌。实验结果表明,铝合金2A70的屈服强度在应变率达到11000/s时会得到一定提高;垂直流线切割的试样强度略高于平行流线切割的试样;随应变率升高,拉伸试样的断口更为平滑,颗粒细密,但压缩试样会形成环状的粗晶区。最后基于实验数据拟合了J-C(Johnson-Cook)本构模型参数。     

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.     

A micromechanical continuum model for the tensile behavior of shape memory metal nanowires

We have previously discovered a novel shape memory effect and pseudoelastic behavior in single-crystalline face-centered-cubic metal (Cu, Ni, and Au) nanowires. Under tensile loading and unloading, these wires can undergo recoverable elongations of up to 50%, well beyond the recoverable strains of 5-8% typical for most bulk shape memory alloys. This phenomenon only exists at the nanoscale and is associated with a reversible lattice reorientation driven by the high surface-stress-induced internal stresses. We present here a micromechanical continuum model for the unique tensile behavior of these nanowires. Based on the first law of thermodynamics, this model decomposes the lattice reorientation process into two parts: a reversible, smooth transition between a series of phase-equilibrium states and a superimposed irreversible, dissipative twin boundary propagation process. The reversible part is modeled within the framework of strain energy functions with multiple local minima. The irreversible, dissipative nature of the twin boundary propagation is due to the ruggedness of strain energy curves associated with dislocation nucleation, glide, and annihilation. The model captures the major characteristics of the unique behavior due to lattice reorientation and accounts for the size and temperature effects, yielding results that are in excellent agreement with the results of molecular dynamics simulations.     

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.