FeMnNi合金冲击加卸载历程研究

采用激光速度干涉仪(VISAR),应用逆向加载实验装置FeMnNi飞片/蓝宝石窗口和FeMnNi飞片/LiF缓冲层/LiF窗口,分别对低相变阈值金属FeMnNi合金含相变的低压和高压冲击加卸载历程进行实验研究。参阅文献[3,4]分析了实验结果。在低压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时存在逆相变ε→α及逆相变引发的卸载稀疏冲击波;在高压加载下,FeMnNi合金样品存在α→ε相变,卸载时可能存在逆相变ε→γ和γ→ε行为及逆相变引发的卸载稀疏冲击波。     

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。     

FeMnNi合金高压相变波形测量和层裂机理分析

采用激光速度干涉仪（VISAR）测试技术,利用逆向加载装置FeMnNi飞片／LiF缓冲层／LiF窗口,对低相变阈值金属FeMnNi合金高压加卸栽历程进行实验研究,结果发现FeMnNi合金在高压加载下发生α→ε相变,在高压卸载下发生ε→γ和γ→α逆相变,并有相应的稀疏冲击波Rs1和Rs2形成。应用该结果分析FeMnNi合金等厚对称在高压加载下的“反常”层裂行为发现,逆相变γ→α引发的稀疏冲击波Rs2与中心稀疏波R的相互作用是导致该“反常”层裂的主要因素。     

伪弹性TiNi合金圆薄板的准静态力学行为实验研究

采用阴影云纹和应变片方法对伪弹性TiNi合金圆板在固支条件下的准静态力学行为进行了实验研究,得到了载荷位移曲线、全场离面位移和局部应变等数据.载荷位移曲线呈现非线性、滞回耗能和无残余变形的特性,表明试样已经发生马氏体相变.应变测量显示,相变局限于加载中心较小区域,相变区内,环向应变大于径向应变,且拉伸侧应变大于压缩侧的应变.有限元模拟揭示出相变区内两侧表层的相变范围、相变铰区和马氏体相含量的不对称分布规律.     

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.     

一种考虑静水压力和偏应力共同作用的相变临界准则

同时考虑静水压力和偏应力的影响,分别建立了“应力诱发”和“形变诱发”相变的临界准则．准则在主应力空间中给出的相变临界曲面呈现明显的拉压不对称性．在弹性阶段,偏应力对相变总是起促进作用．塑性屈服后,偏应力通过塑性功产生的温升影响相变临界面,从而对高温相到低温相转变起阻碍作用,反之起促进作用．静水压力对相变可能起促进作用,也可能起阻碍作用,取决于相变时材料的体积是膨胀还是收缩．建立的相变临界准则对准静态加载条件下的Fe-20％Ni-0．5％合金和Fe-30％Ni合金和一维应变冲击条件下的Fe-32％Ni-0．035％。C合金中的γ-α相变进行了拟合和预测,预测与实验结果有较好的吻合。在主应力空间中柱形屈服面可能与锥形相变临界面相交,从而在一定条件下将发生“形变诱发”相变和“应力诱发”相变间的转变,这一推论有待实验的验证。     

相变滞后对裂纹屏蔽效应的数值分析

本文针对奥氏体-马氏体双相材料,研究裂纹尖端区弥散分布的奥氏体颗粒在应变诱发时发生的相变对裂纹的屏蔽效应。鉴于实验中已发现的不同相变滞后对裂纹屏蔽效应的不同影响,本研究通过在裂纹尖端区不同位置嵌入相变颗粒,考虑到裂纹尖端区应力应变场的奇异分布及其诱发的相变,将裂纹尖端区相变滞后问题转化为相变颗粒在裂纹尖端区的位置问题。计及奥氏体-马氏体相变的体积膨胀效应进行了平面应力裂纹问题数值模拟,得到了单个相变夹杂对裂纹屏蔽效应的影响规律。结果表明：裂纹尖端区相变夹杂的位置对裂纹的屏蔽效应在距裂尖2倍夹杂直径以内影响极大,且以裂尖86度方向为界。其影响规律与McMeeking 和 Evans理论预言的60度方向不同。     

单晶硅的纳米力学响应及其相变机制

硅在大规模集成电路、MEMS/NEMS、半导体工业中具有不可替代作用,但是目前对硅的塑性变形及其相变机制的理解远未成熟.采用大规模分子动力学模拟研究(100)面的单晶硅在球形金刚石压头纳米压入过程中的纳米力学响应、相变过程和相分布规律.结果表明:在弹性变形阶段载荷-压深曲线与Hertz接触理论预测结果相吻合.两者的分离点准确地预示了塑性变形的发生.金刚石结构的Si-I相向体心结构的BCT5相转变导致了单晶硅初始的塑性变形.初始形成的BCT5相在次表面形成了一个倒置的金字塔形结构.Si-II相的形成则稍微滞后一些.在较大的载荷下BCT5在压入面上形成一个四重对称的图案分布.相对于小压头条件下大的BCT5相区,大压头更有利于SiII相的发展.卸载后生成的高压Si-II相和BCT5相全部转变为非晶硅.研究结果确认了单晶硅纳米压入中BCT5相的存在;揭示了单晶硅塑性变形的相变机理,即Si-I转变为BCT5和Si-II相;并强调了Si-I相向BCT5相转变对于单晶硅塑性变形的重要作用.     

斜波压缩下锡的相变和层裂行为

获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据,是深入研究其相变和损伤物理过程的基础.利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验,获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据.实验结果显示,在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β-γ相变两种物理过程,屈服强度约0.194 GPa,相变压力随着锡厚度的增加从7.54 GPa减小到7.14 GPa.在卸载段出现了明显的层裂损伤,层裂强度约1.1 GPa,与相同加载压力下冲击实验结果有巨大差异,层裂片厚度约0.38 mm.结合由锡的多相Helmholtz自由能计算的多相状态方程、Hayes相变动力学方程和损伤度理论,对斜波压缩实验过程进行一维流体动力学数值模拟,计算结果可以很好描述锡的弹塑性转变、相变和层裂三个物理过程.     

内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变

研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对20钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析,探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征,同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征进行分析。研究发现:20钢柱壳近内表面满足α→ε相变热力学条件的有限深度区域内,α晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征;电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化,且存在{112}<111>和{332}<113>两种孪晶,同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格(HCP)的ε相结构,而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部(0～3.0 mm)区域外均未见ε相结构残留。分析认为:冲击过程中发生了α→ε相变;相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程;考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响,对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义,有必要开展进一步研究。     

横向冲击载荷下伪弹性TiNi合金矩形悬臂梁结构响应的实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对伪弹性TiNi合金矩形截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究.结果表明:冲击自由端时,只在根部附近产生一个相变铰,冲击梁中间某位置时,则可能在多处形成相变铰;相变铰形成时拉伸和压缩两侧应变存在一定的不对称性,但是差别并不明显;相变铰的形成与发展过程中,应变并不是单调增加的,而是带有波动性;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁形状完全回复;自由振动前期,应变的平衡位置与挠度的平衡位置有一定偏离,并且这种偏离随着梁的振动逐渐减小直至消失.TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制.     

梯度纳米晶NiTi形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应相场模拟

通过建立考虑两个马氏体变体的二维相场模型,对梯度纳米晶镍钛(NiTi)合金系统的超弹性、单程和应力辅助双程形状记忆过程进行了模拟和预测.模拟结果显示: 在梯度纳米晶NiTi合金的超弹性过程中,较粗晶粒的区域保留了传统粗晶的马氏体相变和逆相变特征,即局部马氏体带的形核-扩展和缩减-消失, 而随着晶粒尺寸的减小,细晶粒区域表现为均匀相变的特点, 即无局部马氏体带产生; 此外,在超弹性和形状记忆过程中,马氏体相变和重取向都首先在较粗晶粒区域开始并逐步向细晶粒区域传播,而逆相变则相反.马氏体相变和重取向的逐步扩展使梯度纳米晶NiTi合金的应力-应变和应变-温度曲线呈现出“硬化状”,其可归因于纳米多晶NiTi合金中马氏体相变对晶粒尺寸的依赖性,即随着晶粒尺寸的减小, 相变或重取向壁垒逐渐增大,马氏体相变或重取向的形核、扩展越来越困难. 可见,梯度纳米晶结构具有比传统均匀晶粒尺寸NiTi合金更宽的相变应力区间、重取向应力区间和相变温度区间,可显著提高该合金非弹性变形的可控性.      

TiNi相变悬臂梁的横向冲击特性实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对TiNi形状记忆合金圆截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究,并与45#钢悬臂梁的实验结果进行了对比,目的是探索相变对结构动态响应的影响。结果表明:在同样冲击条件下,TiNi悬臂梁的吸能效率优于钢悬臂梁;发现冲击过程中,TiNi试件根部内侧可能形成局部相变铰,使阻力曲线的斜率发生变化;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁试件基本回复原状,钢试件则留下显著的残余变形。TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

形状记忆合金单晶细观本构关系的一种相变动力学模型及算法

形状记忆合金是由马氏体相和奥氏体相组成的非均质材料,热力载荷及相变不可避免地在材料中引起残余微应力场,它与外界驱动力的叠加可能导致低应力水平下发生马氏体相变或逆相变.论文假设马氏体相变及逆相变的驱动力是马氏体体积分数的连续函数,发展了形状记忆合金伪弹性的本构描述及相应的数值分析方法.分析表明,所发展的方法与理想相变模型间的误差远小于已有工作中引入的容许误差.对形状记忆合金单晶伪弹性响应的计算结果与试验结果或已有模型计算结果的比较表明所发展的方法具有较高的精度.此外,所发展的方法具有明晰的物理背景,且无需对每个变体的相变发生与否及其方向进行判断,简化了计算过程,提高了计算效率和收敛性.     

基于相变松弛法则的水下爆炸空化模型研究

水下爆炸过程中存在着大量的空化现象,空化的产生、演化及其溃灭过程对于水下冲击波传播、爆炸气泡运动以及水下结构物冲击损伤都会产生重要影响。本文基于多相可压缩流体理论模型,考虑空化发生过程中汽-液两相流体亚平衡状态下两相之间发生的热力学-化学平衡机制,分析汽-液两相介质之间的质量和热量交换,从而实现对相变过程的自动捕捉。该系统的控制方程采用分步法处理,首先利用二阶MUSCL-Hancock格式和HLLC黎曼求解器来求解齐次双曲型方程,再采用牛顿迭代法求解相变方程。数值测试结果表明,本文的计算模型对于空化相变过程具有较好的捕捉能力。最后将该模型应用到水下近水面爆炸空化的数值模拟当中,研究发现空泡的溃灭压力峰值约为冲击波压力峰值的15%,有效作用时间是冲击波载荷有效作用时间的2倍以上。本文的空化相变模型能够为水下爆炸空化现象的机理研究提供重要支撑。     

纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟

采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应,详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化,进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响。结果表明,NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向,卸载后存在残余应变;当加热到奥氏体转变结束温度以上时,马氏体逆相变为奥氏体相,残余应变逐渐减小,但未完全回复;随着应力加载速率的增加,重定向临界应力和模量逐渐增加;再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同。     

TiNi合金圆薄板的横向冲击特性实验

利用改装的霍普金森压杆装置对周边固支伪弹性TiNi合金圆薄板进行了冲击实验,初步得到了该结构在时空2个尺度上的动态力学响应的演变发展现象和规律,包括板中弯曲波的传播、相变区的演化和全场的离面位移等,并和A3钢做了对比。结果表明,由于圆板的二维扩散效应,冲击过程中仅在TiNi板中心很小区域(约5 mm)内形成相变区和相变铰,卸载后相变铰消失,钢试件则留下明显的残余变形。TiNi合金圆板的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

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.      

冲击相变对FeMnNi合金层裂行为影响研究

通过逆向加载和等厚对称碰撞实验相结合的方法,确定了FeMnNi合金完整的加卸载物理过程和相变层裂特征。采用修正的Boettger模型与非平衡两相相变理论模型,成功模拟再现了实验过程,解释了冲击相变、卸载逆相变及稀疏冲击波形成的物理机理。实验和数值模拟相结合,从应力波相互作用的角度定量分析了层裂发生的原因,指出层裂发生的机制正是由于受载样品发生了冲击相变和卸载逆相变。      

NiTi形状记忆合金动态压缩力学行为的实验研究

采用材料试验机和SHPB实验技术,对在不同初始温度(298～873K)和应变率(5×10-4、～2.3×103s-1)下的NiTi形状记忆合金的压缩力学行为进行了实验研究。结果表明:马氏体状态下的NiTi合金的力学行为对应变率的变化敏感,位错屈服段的硬化模量、相屈服段的硬化模量及马氏体重取向前的弹性模量对应变率的变化不敏感,而位错塑性变形前的弹性模量随应变率的提高迅速增大;奥氏体状态下的NiTi合金随着实验温度升高,无论是应力诱发马氏体相变应力还是奥氏体相屈服应力都逐渐下降,材料表现出温度软化效应。从超弹性温度范围内的卸载曲线中观察到了应力诱发马氏体到奥氏体的逆转变。