帽型试样动态绝热剪切破坏演化分析

利用分离式霍普金森压杆加载Ta2钛合金扁平闭合帽形受迫剪切试样,结合数字图像相关法和“冻结”试样的微观金相观察,研究剪切区剪切应变的演化、绝热剪切带形成条件等。结果显示：受迫剪切试样在动态加载过程,剪切区剪切应变不断集中,形成绝热剪切带,裂纹沿绝热剪切带发展;随加载率提高,绝热剪切起始临界应变减小;进一步利用数字图像相关法DIC场应变分析及金相微观观测对比,利用卸载回复特性对绝热剪切带起始临界条件进行了讨论,计算的绝热剪切带起始时温升仅为86℃。材料软化可能不是绝热剪切带起始的控制条件,相反是由于绝热剪切带形成造成的应变高度集中发展导致温度急剧升高。     

钛合金在低温下的高速变形特性和绝热剪切

采用SHPB技术在室温和低温下,对β相钛合金TB-2的高速变形特性和绝热剪切进行了宏观和微观研究。结果表明,TB-2是一个对应变率和温度敏感的材料,其热粘塑性本构特性可表为 α=(σ_0+E_(1ε)(1+glnε/ε_0)(1-α(T-T_n) /T_n)显微观察表明,TB—2在低温下比在常温下对绝热剪切更敏感。低温下绝热剪切带的形态和结构也和常温下有所不同。把文献[9]所建议的绝热剪切的热粘塑性失稳准则,应用到不同的环境温度下,本文建议了一个既依赖于应变和应变率,又依赖于环境温度的三变量准则。理论预示和试验结果符合较好。     

钛合金在低温下的高速变形特性和绝热剪切

采用SHPB技术在室温和低温下,对相钛合金TB-2的高速变形特性和绝热剪切进行了宏观和微观研究。结果表明,TB-2是一个对应变率和温度敏感的材料,其热粘塑性本构特性可表为 =(0+E1（1+gln/0）（1-（T-Tn） /Tn）显微观察表明,TB2在低温下比在常温下对绝热剪切更敏感。低温下绝热剪切带的形态和结构也和常温下有所不同。把文献[9]所建议的绝热剪切的热粘塑性失稳准则,应用到不同的环境温度下,本文建议了一个既依赖于应变和应变率,又依赖于环境温度的三变量准则。理论预示和试验结果符合较好。     

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     

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...     

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。     

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。     

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.     

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

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。     

双相高强钢FeNiAlC的动态剪切行为及微结构机理

绝热剪切带是金属材料在高应变率载荷下常见的一种失效模式。利用霍普金森压杆装置,对双相钢Fe-24.86Ni-5.8Al-0.38C不同微结构的帽形样品施加冲击载荷,研究它的动态剪切变形行为及微结构机理。先通过对固熔处理得到的粗晶态样品进行大应变冷轧获得冷轧态样品,再使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征两种样品冲击前后微结构的变化差异。结果表明,双相钢FeNiAlC拥有较优异的动态剪切性能,剪切强度达1.3 GPa,均匀剪切应变达1.5。变形前,材料由奥氏体相和马氏体相构成,马氏体体积分数约为20%。变形过程由位错滑移和孪生变形主导,但因应变速率较高致使马氏体相变被抑制。不同微结构样品内均形成绝热剪切带,带内发生动态再结晶,形成超细晶粒,平均晶粒尺寸约300 nm,且剪切带内不发生相变;冷轧态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值(12.3 μm)较好吻合,而粗晶态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值（30 μm）相差甚远,初步分析可能是因为粗晶态样品应变较大基本不满足完全绝热的理论条件。在变形过程中,粗晶态因塑性变形做功产生的绝热温升高达720 K,而冷轧态的只有190 K。通过实验结果与热塑模型分析,得出绝热温升不是形成绝热剪切带的唯一因素,而应考虑材料的微观结构和局部化变形等的共同影响。     

损伤引起的反向应变率效应及其对本构关系和热粘塑性失稳的影响

对于材料在高应变率下的应变率无关和应变率负敏感现象,本文根据铸镁合金的宏观与微观相结合的试验结果,提出了一个基于损伤弱化的反向应变率效应机制,并建议了一个计及这一反向效应的热粘塑性本构方程。由此可以解释材料的表观应变率强化、表观应变率无关和表观应变率弱化三类基本情况。相应地,随损伤引起的反向应变率效应的增强,热粘塑性失稳也有三种基本情况:或在更高应变率或更大应变下发生绝热剪切,或由临界准则转化为临界应变准则,以及或在高应变率下不会发生绝热剪切。     

不同应变率下泡沫铝的形变和力学性能

对低密度泡沫铝在不同变形率下的形变和力学性能进行了系统的试验研究。结果表明:（1）沿剪切方向骨架首先塌陷,即变形的局部化是低应变率下块体泡沫铝的主要变形特征;（2）在不同应变率下泡沫铝表现出体积应变基本上随工程应变呈线性变化,在低应变率下泊松比随轴向应变呈幂次关系增加,但在高应变率下泊松比随塑性应变增加,从一峰值降低并趋于稳定;（3）低应变率下泡沫铝材料塑性变形均匀,而高应变率下剪切变形较大;（4）泡沫铝材料的强度对应变率不很明显,但随塑性应变增加,它的率敏感性增加。     

一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

纯锆在压缩加载下微观变形断裂机制研究

利用材料试验机和SHPB装置研究了常态下纯锆的准静态和动态压缩力学性能。塑性变形阶段的流动应力及硬化率随应变率提高而增大,应变10％～20％段的应力-应变曲线表现出凹向上趋势。金相观测表明孪晶是纯锆的重要变形机制,孪晶密度随应变及应变率的增长而增大。大应变时,在动态压缩试样表面观测到与压缩轴呈45&#176;的宏观裂纹。试样纵向剖开后,金相观测到发展的绝热剪切带。     

高应变率下钛合金Ti-6Al-4V的热-粘塑性特性和绝热剪切变形

本文用SHPB 试验技术和金相观察相结合的方法研究了高应变率下钛合金 Ti6-6 Al-4 V的热-粘塑性本构关系和绝热剪切变形。发现用基于双曲型势垒热激活机制的热-粘塑性本构方程（1+（-s）0）-1=1-a0Tln（ep/es）能够很好地表述其应力、应变、应变率和温度间的关系。理论分析和试验还表明Ti-6Al-4V在室温下的绝热剪切临界条件是既与应变有关也与应变率有关的双变量准则,这和前人提出的各种单变量准则是有所区别的。     

Ta2钛合金绝热剪切失稳起始温度研究

利用分离式霍普金森压杆加载TA2钛合金扁平帽型试样,结合高速红外测温与金相观察,分析动态加载下帽型试样受迫剪切力学响应以及绝热剪切带温度演化,确定绝热剪切带起始温度,并讨论绝热剪切失稳起始条件。结果显示,绝热剪切带起始温度约为470K,明显低于再结晶温度,以温度470K作为起始条件,对应剪切应力时程曲线起始时刻,并非剪切应力最大值,而是应力软化至504MPa,即发生应力“塌陷”处,应力下降8.86%,塑性应变继续发展     

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.     

多点式高速红外测温系统研制

冲击载荷作用下,绝热变形引起的温度变化是研究材料动态力学行为的关键参数,因此通过实验方法原位测量温度场数据具有重要意义。本文通过解决光敏元材料串音干扰、红外光学增强等关键技术难题,研制出8×1列的多点式高速(μs量级)高温区间(353～1073K)红外测温系统。然后,采用Rittle提出的剪压(SC,shear-compression)形状的试样,原位测量了TC4产生绝热剪切失稳时的多点温度。实验数据与Rittle报道的测温结果接近,由此验证了本系统的有效性。