应变率对Gr/Al金属基复合材料力学性能的影响

利用自行研制的冲击拉伸实验装置对单向石墨纤维增强铝基复合材料实施了不同应变率下的拉伸实验。获得了材料在００００５～１３００ｓ－１应变率范围内完整的应力应变曲线。结果表明Ｇｒ／Ａｌ的应力应变曲线可分为两个部分:非线性弹脆性变形以及材料失稳后的残余变形。实验结果还表明Ｇｒ／Ａｌ是一种应变率敏感材料,随着应变率的提高,材料的拉伸强度、失稳应变以及剩余应力均相应提高。根据不同应变率下的实验结果,提出了计及应变率强化效应的复合丝束统计本构模型,模型拟合的结果与实验结果吻合得很好。拟合结果还表明,特征纤维统计分布的Ｗｅｉｂｕｌ参数（尺度参数与形状参数）均是与应变率无关的,复合材料的应变率效应主要是由基体的应变率强化效应引起的。     

应变率对SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的影响

本文利用岛津试验机和自行研制的冲击拉伸试验装置,对体积含量为10%的SiC颗粒增强铝基复合材料进行了准静态的拉伸试验、冲击拉伸试验和冲击拉伸加卸载试验,获得了复合材料在应变率为0.002s^-1-1000s^-1范围内从弹塑性变形直至断裂的完整应力应变曲线。试验结果表明,随着应变速率的提高,复合屈服应力,拉伸强度以及破坏应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和高速韧性现象;同时,由于冲击拉伸试验过程中热力耦合效应的影响,准静态加载下复合材料的应力指数与冲击拉伸加载下复合材料的应力指数相比降低了17.8%;在用冲击拉伸复元试验解耦出热力耦合效应的影响后,材料的静、动态等温应力应变曲线具有相同的应变硬化规律。最后,根据复合材料在不同应变率下的试验结果和Eshelby‘s等效夹杂理论,本文建立了一个计及应变率强化效应的弹塑性自洽模型,模型拟合结果与试验结果吻合得很好。     

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.     

图像相关法在高分子材料拉伸性能研究中的应用

本文对聚碳酸酯(PC)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的合金(PC/ABS)高分子材料不同环境温度下的拉伸性能进行了试验研究。根据图像相关分析法编制了图像法位移测量分析软件,并对该分析软件的适用性进行了分析。系统研究了PC/ABS高分子材料拉伸试验时三个方向的位移场和应变场。根据测得的位移场研究了该高分子材料拉伸过程中应变和应变率的变化以及应力应变变化规律,并对试验结果进行了详细分析。结果表明,文中采用的图像法位移测量系统具有较高的测试精度;拉伸过程中,试件厚度方向的收缩变形大于宽度方向的收缩变形;颈缩过程区具有非常高的应变率,颈缩后的平直颈缩区的应变率快速下降到一个很低的应变率继续缓慢变形;尽管载荷位移曲线出现了较大的载荷下降现象,PC/ABS拉伸时的真应力应变曲线没有明显的应力下降现象出现,因此,载荷下降现象主要由颈缩时的截面减小引起;高分子材料PC/ABS的屈服应力随环境温度的升高而降低。     

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。     

套管式冲击拉伸实验装置的研制

介绍了几种常见的冲击拉伸实验装置,并做了简要的评述.提出了一种改进后的套管式冲击拉伸实验装置,该装置直接产生拉伸脉冲,消除了反射式冲击拉伸实验装置中两种干扰信号的影响,得到了远比反射式冲击拉伸实验更为理想的透射波形.运用改进后的套管式冲击拉伸试验装置对几种板材材料进行了动态拉伸实验,得到了这几种板材在600/s,1200/s,1800/s应变率下的应力应变曲线,与静态应力应变曲线相比较,反映了这几种板材具有明显的应变率效应.根据实验结果中动态与静态应力应变曲线的一致性,分析了这种套管式冲击拉伸实验装置的优越性与有效性,它能更好地反映材料的动态力学性能.     

高弹态未硫化橡胶在不同变形模式下的循环加卸载力学行为

对高弹态未硫化橡胶实施了不同变形模式(单轴拉伸和压缩)的循环力学实验,以考察其黏超弹性响应以及应变率对力学行为的影响。结果表明,材料的拉伸、压缩性能与加载速率和变形历史均有着显著的相关性。对于循环拉伸变形,应力-应变曲线的非线性特征较为明显,材料表现出类似于屈服的性质,且随着循环次数和变形量增加,迟滞损耗的积累趋势逐渐减弱;而对于循环压缩变形,应力-应变关系接近线弹性,且随着循环次数和变形量增加,材料刚度和迟滞损耗积累的趋势都逐渐增强。针对上述实验结果,在经典的Bergstrom-Boyce模型中引入损伤变量,对未硫化橡胶的应变率相关性和Mullins效应进行表征。理论计算结果表明,这种非线性黏超弹模型能够较好地描述未硫化橡胶在不同载荷条件下的变形响应与应力软化特征。     

双相钢板料的单向拉伸断裂失效研究(Ⅱ)——弧长法非线性有限元分析

为了获得docol800DP双相钢板料的等效塑性应变和应力三轴度在单向拉伸断裂失效过程中的变化历程,对其拉伸过程进行了弧长法非线性有限元分析。根据试验得到的材料参数建立了双相钢单向拉伸试件的有限元模型,考虑大变形引起的几何非线性和塑性强化引起的材料非线性,模拟了试件拉伸变形的全过程。计算结果表明:弧长法可较好地模拟试件变形的全程,计算得到的典型变形阶段、集中性失稳带的分布及方向与试验结果吻合很好;发生失稳变形时的应变与理论分析结果一致。最后,给出了起裂点处失效参数的变化历程,为定量化研究双相钢材料的断裂失效模型提供准确的数据支持。     

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。     

变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

利用两种改进后的Hopkinson杆实验分别测得多孔金属材料冲击端和支撑端的应力.实验结果及高速摄影表明,随着撞击速度的增加,试件两端的应力均匀性变差,分别对应着泡沫材料的3种变形模式:准静态模式、过渡模式、冲击模式.实验得出在冲击模式下,冲击端与支撑端的应力与试件的厚度无关,但是与试件的密度有关.在多孔金属的高应变率实验中,变形模式对SHPB实验有很大的影响,轴向惯性(波动)效应会导致试件两端的应力不均匀,此时利用SHPB得出的实验结果将会是应变率效应和惯性效应的耦合,不能真实反映材料的动态力学性能(应变率效应).      

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.      

几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究

利用直拉式Hopkinson装置研究了碳纤维、无碱E玻璃纤维、Kevlar 4 9/96 4 /96 4c、Twaron2 0 0 0、DyneemaSk6 6等纤维的动态拉伸性能。与准静态加载条件下相比 ,纤维束的拉伸强度基本与应变速率无关(玻璃纤维除外 ) ,而纤维束的弹性模量和失效应变随应变率的升高而明显变大。从高分子物理以及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加载速率的关系进行了初步的物理阐释。讨论了实验数据的发散原因。     

空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性

利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）系统对空心微珠体积分数为0.4的空心微珠/1199Al复合泡沫在1 700~2 900s-1应变率范围内的动态压缩力学性能、吸能性能进行了研究,还利用SEM扫描电镜对压缩试件断口进行微观组织分析,与准静态条件下材料的压缩力学性能及压缩变形机制进行了对比。结果表明,空心微珠/1199Al复合泡沫是一种应变率敏感材料,与准静态结果相比,在高应变率下复合材料的流动应力和塑性应变有明显的增大,应变率硬化效应对复合材料的流动应力的影响明显大于应变硬化的影响。复合材料的准静态和动态压缩变形机制存在一定差异,动态载荷作用下,空心微珠/1199Al复合泡沫内部空心微珠的压缩和基体材料的充填同时发生,组分之间具有良好的协调变形能力。     

摩擦材料在无围压和加围压条件下的形变比较

研究铜基粉末冶金摩擦材料在无围压和加围压条件下的动态力学特性及其形变特征。试验在Hopkinson压杆上完成,通过试验发现,材料在无围压、应变率低于1000-1s时,有应变率强化效应;在更高应变率下,材料有损伤软化效应。微观分析可以看到试件上大量的平行滑移裂纹导致了材料破坏,形变是滑移伴随少量的孪晶;裂缝中有大量的碳纤维组织,这些纤维状组织对裂纹的扩展起抑制作用。而材料在加围压下的性能得到了很大的改善,同一应变率下最大应力、屈服极限和动态杨氏模量均有提高。在高应变率时,无论是加围压还是无围压,破碎的硬质颗粒都是长条状的。由此得出推论,球状、细化的硬质颗粒,可提高基体的强度。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

大应变率范围内AM80镁合金的变形行为及组织演变

采用INSTRON准静态压缩试验机和分离式霍普金森压杆装置，研究固溶态AM80镁合金在室温准静态和冲击载荷下的变形行为及组织演变。准静态载荷下，流变应力随应变率（3×10-5~4×10-1 s-1）的升高逐渐降低，表现为负应变率敏感性；冲击载荷下，流变应力随应变率（7.00×102~5.20×103 s-1）的升高而升高，呈现出明显的正应变率敏感性。冲击载荷下AM80镁合金的变形机制以基面滑移和孪生为主，大量细小致密的形变孪生以及适量非基面滑移的启动是AM80镁合金在冲击载荷下流变应力明显高于准静态载荷的重要原因。此外，随应变率的升高，AM80镁合金变形的均匀性明显增强，当应变速率升至3.65×103 s-1时，冲击变形所引起的局部绝热温升软化大于应变硬化与应变速率硬化的总和，部分晶粒产生了明显的动态回复，使得孪晶密度和变形均匀性反而降低。     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

基于Hopkinson压杆的M型试样动态拉伸实验方法研究

采用传统分离式Hopkinson压杆进行M型试样的动态拉伸实验，可避免试样与杆的连接问题，但该方法并未得到发展和验证。本文中，采用有限元数值分析和实验方法，对M型试样动态拉伸实验进行分析和改进。结果表明:（1）改进的封闭M型试样，可以增强试样整体刚度，有效减少试样畸变引起的附加弯矩对拉伸标段的影响，方便通过Hopkinson压杆加载实现一维拉伸变形；（2）采用试样刚度系数修正法，可消除M型试样整体结构的弹性变形对测试的影响，精确获得试样拉伸标段的塑性应变；（3）高加载率下，建议采用波形整器加载，可显著减少试样结构引起的载荷震荡现象、改善两端的应力平衡，获得准确的动态拉伸应力应变曲线，实现5 900 s?1甚至更高应变率下的动态拉伸实验。研究方法可为M型试样拉伸实验设计和应用提供参考。