预应变对中子辐照高纯铝拉伸性能的影响

金属材料的中子辐照硬化和脆化一直都是核能安全领域十分关注的重要问题之一.为了进一步认识预应变对中子辐照金属材料塑性形变和最终断裂特性的影响规律,及其微观机理,本文研究了10%拉伸预应变高纯铝的拉伸应力-应变曲线、失稳应力和失稳应变等随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,预应变高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高,导致屈服强度和极限拉伸强度越高,均匀延伸率和失稳应变越小,表现出典型的辐照硬化和脆化效应,但失稳应力与辐照剂量几乎无关.相同辐照剂量条件下,预应变引入的高密度位错能够显著降低辐照孔洞的尺寸和数密度,加之辐照退火效应的综合影响,导致预应变能够降低高纯铝屈服强度的增长率和失稳应变的下降率,从而表现出一定的抑制辐照硬化和脆化的能力,预应变还能够提高高纯铝的失稳应力,但整体而言预应变并不能提高高纯铝的延性.最后,基于J-C本构模型的中子辐照退火态金属材料的脆化模型能够直接应用于预应变金属材料,且模型预测结果与实验结果吻合较好.     

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力-应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力-应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.     

长期中子辐照 Al-Mg-Si合金的压缩力学行为

利用材料试验机及分离式霍普金森压杆装置，开展长期中子辐照后的Al-Mg-Si合金（反应堆内实际服役近30年的LT21铝合金）在不同温度和应变率下压缩力学行为的实验研究，获得了实验温度、应变率对其屈服强度及流动应力的影响规律。结果表明:材料在一定的温度区间（?40～300 ℃）和应变率区间（0.001～3 000 s?1）内，分别呈现出较为明显的温度效应与正应变率效应；其中在较低的温度（?80～?40 ℃）和较高的应变率（3 000～5 000 s?1）区间力学性能受温度和应变率变化的影响较小；当温度升至300 ℃时，材料的塑性变形行为已趋于理想塑性流动。根据前述实验结果，计及材料内部的微观辐照缺陷对力学性能的影响，建立了考虑辐照损伤的Zerilli-Armstrong本构模型，模型的计算结果与前述实验结果吻合较好。结合文献中高纯铝的微观辐照缺陷的演化数据，对不同快中子辐照剂量LT21铝合金的屈服强度，以及另两个来自反应堆内不同受辐照区域试样在不同应变率和温度下的屈服强度进行了计算。上述研究表明，本文建立的考虑辐照损伤的Z-A本构方程不仅能较好地反映长期中子辐照后的Al-Mg-Si合金宏观应力和应变、应变率、温度等参数的关系，也能针对位错运动及辐照硬化机制进行较好地描述，并且能够为反应堆内相应结构元件的设计、运行和安全评估提供一定的参考。     

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义.材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响.金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等.该文主要综述在低温(T<0.3 T_m,T_m是材料的熔点温度)和低辐照剂量下,由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为,即受辐照缺陷的影响,材料的强度会升高.材料的晶粒     

单轴载荷下X80钢的包申格效应研究

本文通过单轴拉伸和压缩试验研究了X80管线钢的包申格效应(BE)。采用正向与反向加载方法研究材料变形历史特性。测定了X80钢的简单拉伸试验曲线,其应力-应变关系表明,该材料具有理想弹塑性特点。为了得到X80钢的BE,在不同预变形下对几个试件分别进行加载,并当给定的预应变值分别达到0.63%,0.67%,0.95%,1.27%和1.55%时就卸载。随后再进行反向加载实验,并记录应力应变曲线。该钢材反向加载时出现加工硬化,且屈服强度比正向加载时要低。正反向加载之间的屈服强度差值随着预应变增加而增大;当预应变超过0.95%时,反向屈服强度达到恒量。实验表明,X80钢的反向加载特性可用Remberg-Osgood关系拟合。最后给出了屈服强度降和预塑性应变之间的经验公式。     

用圆膜试验测量国产金属材料的塑性硬化规律

本文用金属圆膜试验获得了紫铜、黄铜、软铝、合金铝、低碳钢及不锈钢等六种国产材料在二向均匀拉应力状态下的塑性硬化规律.通过对薄壁结构塑性失稳的计算分析结果表明,失稳应力,失稳厚度及失稳时的厚向应变的理论计算值与实验值基本符合,从而说明用金属圆膜试验确定金属材料塑性硬化规律是简单易行的方法且具有一定的精度.     

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

纳米金属丝拉伸破坏及其应变率效应

建立了适于研究纳米金属快速变形破坏过程的分子动力学模型,并对不同应变率工况下不同截面尺寸单晶镍纳米丝的零温单向拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟得到各种纳米镍丝的应力-应变曲线、屈服应变、屈服强度、断裂强度和初始弹性模量,提出了纳米金属丝快速变形力学性能的应变率效应预测公式并加以验证.计算表明金属纳米丝的屈服应变与尺寸和应变率无关,屈服强度、断裂强度和弹性模量与应变率呈对数关系.     

应变率及温度对FGH95粉末高温合金塑性变形性能影响的实验研究

在420℃～650℃的温度范围内,实验研究了FGH95粉末高温合金在应变率0．0001s^-1～0．01S^-1范围内的拉伸一断裂性能,分析了温度和应变率对该合金流动应力的影响,结果表明,应变率对杨氏模量、拉伸屈服强度和塑性模量的影响不是很大,随着应变速率的增大和温度的升高,合金的塑性流动应力有所提高,断裂强度和断裂韧性增强。并通过流动应力与应变、应变率和温度之间的函数关系,分别讨论了硬化指数咒、应变速率敏感系数m及应力相关系数K与温度ε和应变率;的函数关系。SEM断口分析表明FGH95合金是微缺陷敏感材料,在高温（420℃-650℃）应变率范围为10^-4s^-1～10^-1s^-1时的拉伸断裂都是韧性断裂。     

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。     

Thermal softening induced plastic instability in rate-dependent materials

A linear perturbation analysis is performed for a class of rate-dependent materials, such as the Johnson-Cook model, in which the rate contribution to the stress can be separated from that of the plastic strain and temperature and in which the temperature rises adiabatically. The analysis is facilitated by perturbing both the rate of momentum equation and the momentum equation. An identical material stability/instability criterion is deduced from the characteristic spectral equations for one-dimensional deformation, one-dimensional shearing, and general three-dimensional field equations, and thus shows that the instability derived here is a material constitutive instability.The criteria indicate that the materials become unstable once the thermal softening overcomes the strain hardening, regardless of the strain rate. The strain rate enters the criteria through its effects on the accumulated temperature and the current stress. Based on the criterion, the three-dimensional instability surface is established in the space of plastic strain, plastic strain rate, and temperature. Instability surface is shown as a material property and independent of deformation histories or modes. Both necking and shear banding are simulated to validate the excellent predictive capability of the criterion.     

宽应变率范围下2A16-T4铝合金动态力学性能

为了研究2A16-T4铝合金的动态力学性能,利用电子万能试验机、高速液压伺服试验机及霍普金森压杆(SHPB)装置进行常温下准静态、中应变率和高应变率的动态力学性能实验,得到不同应变率下的应力应变曲线,基于修正的Johnson-Cook本构模型对它进行拟合,并分析材料中应变率力学特性对模型应变率敏感参量的影响。结果表明:2A16-T4铝合金在应变率10-4~102 s-1范围内应变率敏感性较弱,而在102~103 s-1范围内应变率敏感性较强,且应变率强化效应随塑性应变的增大而减小;同时,在10-4~103 s-1范围内具有较强的应变硬化效应,且应变硬化效应随应变率的增大而减小;此外,修正Johnson-Cook本构模型的拟合结果与实验结果吻合很好,能够很好表征材料的动态力学行为,且考虑材料中应变率力学特性可提高本构模型参量的准确性。     

纵向冲击压缩下LY12铝合金圆环的塑性失稳

通过对铝合金圆环的纵向冲击压缩研究发现,一定条件下在试件的宏观塑性硬化阶段会出现明显的应力降过程。为揭示此应力降的发生机制,对润滑、细磨、粗磨3种端面粗糙条件下,外径、内径和高度比值为6:3:2的LY12铝合金圆环进行系统的Hopkinson压杆纵向冲击实验。结果表明:应力降主要发生在较大的应变和较高的应变率条件。进一步对实验样品的金相观察发现:应力降产生的内在机制为绝热剪切带的形成和发展,此现象是一种动态塑性失稳的过程。以上结果为金属材料在冲击条件下绝热剪切带产生的研究提供了参考。     

A Finite Element Analysis of a Tapered Flat Sheet Tensile Specimen

A uniaxial tension sheet metal coupon with a tapered instead of a straight gage section has been used for centering the location of diffuse neck and for measuring sheet stretchability in a non-uniform strain field. A finite element analysis of such a tensile coupon made of automotive steel sheet metals has been carried out to assess the effect of the tapered gage section geometry and material plastic strain hardening characteristics on the development of local plastic deformation pattern and local stress state, especially beyond the onset of diffuse necking but before localized necking. In particular, the finite element analysis was used in this study to evaluate the accuracy and reliability of an experimental data analysis method for estimating the post-necking effective plastic stress-strain curve based on the direct local surface axial plastic strain measurements for base metal, heat-affected zone, and weld metals of a dual-phase steel DP600. It is concluded that the estimated lower and upper bounds of the effective stress-strain curve at large strains are not satisfactory for low strain-hardening materials such as heat-affected zone and weld metals with the tapered tension coupons. A simple correction method utilizing only the additional local surface strain measurement in the transverse direction is proposed and it is shown to be effective in correcting the estimated effective stress-strain curve of dual-phase steel weld metals obtained for two tapered gage section geometries.     

金属切屑塑性流动的稳定性

对金属正交切削过程中切屑形成机制和材料塑性流动行为进行实验研究和理论分析. 通过对4 种常用金属材料正交切削过程的实验研究和切屑形貌的微观观察,确定了连续切屑转变成锯齿切屑的临界速度. 结果表明该临界速度与材料性能相关. 在实验观察基础上,提出描述材料正交切削过程的二维分析模型. 该模型假设切屑形成区为包括主剪切区和次剪切区的一个平行四边形. 载荷有主剪切区中的剪应力和次剪切区中的正压力;通过量纲分析得到描述材料正交切削过程的无量纲主控参数和无量纲形式的基本控制方程;应用线性稳定性分析方法建立平面应变状态下评价材料塑性流动稳定性的普遍准则;求得切屑形成区内材料塑性变形的速度和应力近似解. 讨论切屑形成、形貌转变以及相关的塑性失稳机制. 分析结果表明, 表征材料惯性与阻尼之比的无量纲参数— 雷诺数可以作为主控参数描述金属切削过程以及切屑材料塑性流动的稳定性.      

Compression-impact testing of aluminum at elevated temperatures

This paper presents and experimental technique for determining compressive stress-strain curves well into the plastic range of relatively soft metals at strain rates from 300 to 2000 sec^?1 at six temperatures from 30 to 550° C. More than 100 curves were obtained on annealed 1100° F aluminum. The strain-rate dependence in these tests could be fitted quite well either by a power function (log-log plot) or by a semilogarithmic plot, but the power function gave a better correlation of the present data with that obtained at lower strain rates by Alder and Phillips.¹     

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。