高温后玄武岩纤维增强混凝土的动态力学特性

为研究温度、加载速率、纤维掺量对玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)动态压缩强度和冲击韧度的影响,利用?100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对经历不同温度作用后的BFRC进行冲击加载实验。结果表明:高温后BFRC的动压强度及冲击韧度在同一温度下随平均应变率的上升近似线性增大;温度的升高总体上导致BFRC在同一加载速率下的动压强度及冲击韧度减小、应变率敏感性减弱;同一工况下,BFRC的动压强度和冲击韧度较素混凝土普遍提高,且当纤维体积掺量为0.2%时强韧化效果相对最佳。由此可见,高温后BFRC的冲击压缩特性受温度、加载速率、纤维掺量的综合作用影响,掺入玄武岩纤维可以有效降低高温后BFRC的损伤劣化程度。     

聚脲材料动态力学性能试验研究

应用低阻抗分离式霍普金森压杆和拉杆试验装置开展了聚脲材料动态力学性能的试验研究。分别开展了聚脲8380材料常温条件(T=18℃)下的动态压缩和动态拉伸试验,以及高温(50、80℃)和低温(-40、-20℃)条件下的动态压缩试验,研究了该种材料的动态压缩和动态拉伸性能,并研究了应变率和温度对材料动态力学性能的影响规律。研究结果表明：在不同温度下,聚脲8380材料的动态力学性能均呈现出显著的应变率效应;随着加载应变率的增大,材料的强度、变形能力和耗能能力均有不同程度的提升;聚脲8380材料的动态力学性能具有明显的温度相关性,高温和低温条件下材料的动态压缩性能呈现出不同的变化规律;高温条件下聚脲8380材料的动态压缩性能发生劣化,其动态抗压强度较常温条件下有较大幅度的降低,随着温度的升高,材料的动态抗压强度降低;低温条件下聚脲8380材料的动态压缩性能有显著的改善与提升,其动态抗压强度和耗能能力较常温条件下有大幅度的提高,随着温度的降低,材料的动态抗压强度提高。     

重组竹顺纹冲击力学性能研究

重组竹是一种新型竹基复合材料,其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能,以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3～5年的毛竹基重组竹为研究对象,通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验,研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明:重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段,破坏类型为延性破坏,其各项强度指标随应变率的提高而提高,动态增长因子与应变率之间呈现线性关系,斜率为0.0024;重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系,且随应变率的增长而增大,证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明,重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。     

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能，对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试，分离式霍普金森压杆冲击试验，以及冲击破碎试样的扫描电镜观察，分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高，经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降，大孔径孔隙度分量增大，且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却；水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高，峰值应力减小，峰值应变增大，弹性模量则先增大后减小的规律；由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低，产生额外的温度应力，花岗岩内部损伤加剧，表现出更低的波速与峰值应力；而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度，降低了高温后花岗岩的塑性能力，与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小，弹性模量增大，表现出脆性破坏特征。在温度低于400 ℃时，冷却方式对冲击裂纹影响不大，随着温度升高到800 ℃，自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状，而水冷却后冲击断面则相对平整。     

混凝土高温动态劈拉行为细观数值分析

为研究高温作用下混凝土的动态劈裂拉伸破坏行为，考虑了力学性能的高温退化与应变率增强效应的联合作用，结合混凝土材料内部非均质性，建立了细观尺度数值分析模型与方法。将该数值方法分为两个步骤:首先对混凝土进行热传导行为模拟，进而将输出结果作为初始条件对混凝土动态劈裂拉伸行为进行细观模拟。在模拟结果与已有试验现象良好吻合的基础上，分析了高温下混凝土动态劈裂拉伸行为及其细观破坏机制，对比了不同应变率及加热温度下混凝土的劈裂拉伸应力-应变关系，揭示了混凝土应变率效应与温度退化效应的相互影响规律。研究结果表明:(1) 高温作用后，试件损伤区域较常温下更集中；(2) 名义应变率较大时，破坏过程急促，常温下骨料发生破坏，而经历高温后骨料基本没有破坏；(3) 由于混凝土试件细观结构的非均质性，其内部应力呈枣核状不连续分布；(4) 相比于应变率效应，混凝土劈裂拉伸强度受温度退化作用的影响更显著。     

不锈钢材料的动态力学性能及本构模型

利用带有温度调控系统的SHPB实验装置测定了0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢在3种应变率(300、1 000、2 700 s-1)、4种环境温度（25、300、500和700 ℃）下的应力应变关系;在液压伺服材料试验机(MTS)上进行了3种温度下的准静态（0.0005 s-1）压缩实验。实验结果表明:该不锈钢有明显的应变率强化效应和温度软化效应,并且随着环境温度的升高,应变率强化效应减弱。对Johnson-Cook模型进行了修正,考虑了冲击过程中绝热温升引起的软化效应。修正后的Johnson-Cook模型与实验结果吻合较好。     

冲击下混凝土试样应变率效应和惯性效应探讨

结合混凝土试件的真三轴静载冲击实验结果,分别运用考虑应变率效应的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)模型和考虑静水压效应的Drucker-Prager (DP)模型进行数值分析,以探讨研究混凝土试样应变率效应和惯性效应的方法。在探究混凝土的应变率效应和横向惯性效应的关系时,使用HJC模型的数值模拟结果来拟合DP准则的各个参数。结果表明:随着应变率的升高,混凝土的强度会提高,并且这种强度的提高,也有一部分原因是第一应力不变量I₁的增大所导致的。因此,混凝土试件的应变率效应和横向惯性约束具有较强的耦合作用。理论和数值分析了冲击下试样内部的横向应力分布特征与应变率、静水压和试样尺寸的关系,结果发现:试样内部横向应力的幅值随着应变率、静水压的升高而增大,但随着试样尺寸的增大而减小。为了探讨横向惯性带来的强度提升效果,提出了一个有关冲击方向最大应力σ_x和等效应力σ_e的参数ξ,且ξ=(σ_x?σ_e)/σ_x。此参数具有尺寸效应、应变率效应和静水压效应,但是此参数与应力三轴度的关系表现出应变率无关特性,可为应变率效应的研究提供新的思路。     

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。     

YB-2航空有机玻璃的应变率和温度敏感性及其本构模型

为了理解和评价YB-2航空有机玻璃在极端环境下的动态力学性能,采用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆对YB-2航空有机玻璃在218~373 K温度范围、10-3~3 000 s-1应变率范围内的压缩力学行为进行了研究,得到了材料的应力应变曲线。结果表明:随着温度的升高,材料的流动应力逐渐减小而破坏应变呈现增大的趋势;温度相同时,材料的流动应力随应变率的增加而增大,破坏应变随应变率的增加而减小。随着应变率的提高,材料的应变软化效应更加剧烈。基于朱-王-唐(ZWT)本构模型,得到了考虑温度效应的本构参数。结果显示,在8%应变范围内,改进的考虑温度效应的本构模型可以较为理想地表征该材料的应力应变响应。     

淬硬45钢在高温、高应变率下的动态力学性能及本构关系

在20℃~800℃的温度范围和10-3~104s-1的应变率范围内,采用电子万能试验机和分离式霍 普金森压杆,对淬硬45钢(45HRC)分别进行准静态实验和动态压缩力学性能实验,得到应力应变曲线。结 果表明:淬硬45钢的流动应力对应变率敏感性一般,但表现出较强的温度敏感性,随着应变率的增大而增大, 随着温度的升高而降低。采用以高斯函数表示温度效应的改进Johnson-Cook本构方程拟合了淬硬45钢在 高应变率和高温条件下的本构关系,拟合曲线与实验数据吻合较好。     

实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究

为研究实时高温作用对花岗岩冲击力学特性的影响，以川藏铁路色季拉山施工区域加里东期花岗岩为研究对象，利用分离式霍普金森杆（SHPB）及同步箱式电阻炉，对20～800 ℃实时高温下的花岗岩试件进行冲击压缩试验，分析高温作用及加载应变率对试件破碎特征、动态抗压强度及能量吸收情况的影响，基于粉晶X射线衍射分析矿物成分变化与花岗岩动力学强度的内在关联。研究表明:20～400 ℃高温试件以脆性劈裂破坏为主，碎片形态呈纺锤形，两端尖锐，而600 ℃高温试件以塑性破坏为主，形状趋于圆钝；试件峰值应力随温度升高具有先增大后减小的变化趋势，200 ℃时达到强度阈值，随后持续降低；单位体积岩石耗散能与加载应变率呈线性正相关关系，与温度呈二次函数关系，与峰值应力呈指数关系，拟合效果良好；石英、云母和长石三种主要矿物成分的含量波动、相态变化等因素共同导致花岗岩动力学强度在200 ℃后逐步劣化。     

动载下韧性撕裂在三种管线钢材中传播阻力的研究

阐述了用实验确定在常温及静载和动载条件下韧性撕裂在三种管线钢材中传播时的断裂比能值。实验中采用了销钉加载双面开槽的双悬脊梁(DCB)试件。应用能量平衡法对实验结果进行了分析。考察了加载速率和试件厚度对撕裂韧性的影响。结果表明,管线钢材对韧性撕裂传播的阻力在动载条件下增大,对较薄的试件及应变率敏感性较高的材料其增大更为明显。对于纯剪切断裂的传播来说,撕裂韧性一般随试件厚度的增大而增加。     

V-5Cr-5Ti的常温动态压缩力学性能

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,在常温下对V-5Cr-5Ti合金分别进行了应变率效应试验、 限制应变试验和应变累积的动态压缩试验;分析了应变率、应变累积对V-5Cr-5Ti合金动态压缩性能的影响; 并对压缩试验后的试件进行了金相分析。结果表明,V-5Cr-5Ti合金具有明显的应变率和应变历史效应,而 应变历史对材料的动态压缩性能的影响更明显。在高应变率下,应变低于0.20时,出现孪晶组织;而应变高 于0.20时,孪晶组织急剧减少甚至消失。     

应变率及节理倾角对岩石模拟材料动力特性的影响

采用相似材料模拟实验方法并借助SHPB(split Hopkinson pressure bar)实验系统,探究应变率及节理倾角对节理岩石动态力学性状的影响,包括应力应变曲线特征、破坏模式、能量传递及耗散规律。该实验结果表明:应变率升高,动态弹性模量增大,试件破碎块度变小,完整试件裂纹缺陷沿着平行于压应力方向扩展;节理角度越大,峰值强度越低,但当应变率升高到一定程度,节理角度对岩石破坏形态的影响不再明显;不同试件的入射能、反射能、透射能和耗散能均随应变率升高呈非线性增加,含倾斜角度节理试件的能量耗散率随应变率的变化幅度明显大于完整试件。     

准三维针刺C_f/SiC复合材料室温层向动态压缩力学行为的实验研究

为了研究应变率对准三维针刺碳纤维增韧的碳化硅复合材料(Cf/SiC)层向压缩力学性能的影响,本文利用分离式Hopkinson压杆装置对三维针刺Cf/SiC复合材料进行了应变率为10-4至6.5×103s-1的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明,由于材料缺陷,其动态压缩强度分布遵循Weibull分布。破坏时,材料并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度后经历了较大的伪塑性变形才最终破坏。这表明三维针刺Cf/SiC复合材料沿厚度方向针刺的碳纤维有助于提高材料的韧性。同时,材料的压缩强度随应变率的升高显著增大,并与对数应变率近似成线性关系。借助光学显微镜和扫描电镜对压缩断口的观察表明:材料的失效模式随着应变率变化而发生改变。在准静态下,材料主要表现为剪切和分层破坏,而在高应变率下,则主要表现为劈裂。     

激光金属沉积GH4169在不同应变率下的剪切特性及破坏机理研究

为了能在传统的分离式Hopkinson压杆上准确可靠地测试激光金属沉积GH4169的动态剪切特性，基于数值模拟方法对比分析了三种不同动态剪切试样形式及尺寸对剪切区应力分布的影响，结果表明:经过尺寸优化后的双剪切试样的剪切区剪应力占主导地位，可实现近似纯剪切的动态剪切实验。利用此试样形式，系统测试了不同取向（扫描方向、沉积方向）的LMD GH4169试样在不同应变率下的剪切应力应变曲线，并对破坏后试样进行了SEM分析观察。结果表明:(1) 本文中选用的试样形式剪切纯度高，应力沿剪切区宽度厚度分布均匀，可以更好地得到材料的动态剪切特性；(2) 对实验所得剪应力-剪应变曲线进行分析，发现本材料在扫描路径方向和沉积方向并没有表现出明显的各向异性，但随着应变率的增加，具有明显的应变率强化效应；将单轴压缩和动态剪切应力应变曲线同时转换为等效应力应变曲线，对比证实了试样形式能很好反应材料的剪切特性；(3) 通过对LMD GH4169剪切变形破坏试样的微观分析发现，随着应变率升高，断口韧窝尺寸和深度减小，韧性降低，在更小的变形量下容易剪切失效。初始微观缺陷容易导致材料的动态剪切破坏。     

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。     

Strain-rate history and temperature effects on the torsional-shear behavior of a mild steel

Previous investigations on the effects of strain-rate and temperature histories on the mechanical behavior of steel are briefly reviewed. A study is presented on the influence of strain rate and strain-rate history on the shear behavior of a mild steel, over a wide range of temperature Experiments were performed on thin-walled tubular specimens of short gage length, using a torsional split-Hopkinson-bar apparatus adapted to permit quasi-static as well as dynamic straining at different temperatures. The constant-rate behavior was first measured at nominal strain rates of 10^?3 and 10³ s^?1 for ?150, ?100, ?50, 20, 200 and 400°C. Tests were then carried out, at the same temperatures, in which the strain rate was suddenly increased during deformation from the lower to the higher rate at various large values of plastic strain. The increase in rate occurred in a time of the order of 20 μs so that relatively little change of strain took place during the jump. The low strain-rate results show a well-defined elastic limit but no yield drop, a small yield plateau is found at room temperature. The subsequent strain hardening shows a maximum at 200°C, when serrated flow occurs and the ductility is reduced. The high strain-rate results show a considerable drop of stress at yield. The post-yield flow stress decreases steadily with increasing temperature, throughout the temperature range investigated. At room temperature and below, the strain-hardening rate becomes negative at large strains. The adiabatic temperature rise in the dynamic tests was computed on the assumption that the plastic work is entirely converted to heat. This enabled the isothermal dynamic stress-strain curves to be calculated, and showed that considerable thermal softening took place. The initial response to a strain-rate jump is approximately elastic, and has a magnitude which increases with decrease of testing temperature; it is little affected by the amount of prestrain. At 200 and 400° C, a yield drop occurs after the initial stress increment. The post-jump flow stress is always greater than that for the same strain in a constant-rate dynamic test, the strain-hardening rate becoming negative at large strains or low testing temperature. This observed effect of strain-rate history cannot be explained by the thermal softening accompanying dynamic deformation. These and other results concerning total ductility under various strain-rate and temperature conditions show that strain-rate history strongly affects the mechanical behavior of the mild steel tested and, hence, should be taken into account in the formulation of constitutive equations for that material.     

第三型应变时效的提出与研究进展

第三型应变时效现象的发现使得传统的对于金属塑性流动行为的认识、位错的热激活理论以及常见的金属热粘塑性本构模型均需要进一步完善。为了系统地认识第三型应变时效,首先介绍了第三型应变时效现象区别于静态应变时效和Portevin-Le Chatelie动态应变时效的宏观特征,其次,对第三型应变时效的微观机理以及第三型应变时效与Portevin-Le Chatelier动态应变时效、蓝脆现象以及机械波谱的关联性进行了系统总结。最后,介绍了包含第三型应变时效的金属热黏塑性本构模型的发展。