TiNi合金冲击相变过程中温度变化规律的实验研究

针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样,采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置,实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度,并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明,冲击加载相变过程中,温度随相变应变的增大而升高,当应变最大时,温度最高;卸载过程中,对初始PE状态试样,温度降低,对初始SME状态试样,温度保持最高温度不变或降低,这同加载最高温度有关;卸载完成后,两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明,相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。     

基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值

基于16 mm口径气炮撞击实验，对铝颗粒增强的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)/Al(PTFE/Al)冲击反应复合材料的冲击反应阈值开展了研究。为研究不同撞击加载条件下应变率和碰撞应力对PTFE/Al冲击诱发反应的影响，实验中采用铝、钢和低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)这3种不同材料的靶板及不同长度的试样，进行不同加载条件下的测试分析。实验结果显示，PTFE/Al材料的冲击诱发同时受到碰撞压力和加载应变率的影响。同时，通过对试样撞靶过程进行数值模拟，并与实验和理论结果进行对比。基于实验数据，拟合出PTFE/Al材料冲击反应的的预测曲线。     

伪弹性形状记忆合金杆屈曲行为研究

对不同长细比伪弹性TiNi合金矩形截面杆进行了压缩试验,通过应变片和热电偶来捕捉杆中间截面表层材料的相变演化,采用热电偶测量杆中间截面受拉侧的温度,分析了长细比和材料相变对杆件承载能力的影响。结果表明:加载和卸载阶段,两端夹支TiNi杆的载荷-应变曲线随着长细比的改变发生明显的变化,对于短杆,相变会提高其承载能力;对于长杆,其极限承载能力取决于长细比,相变的影响集中在后屈曲阶段;对于低长细比杆件,加载阶段温度持续升高,而高长细比构件,应变达到最大值时温度已开始下降,所有杆件在卸载结束时的温度均低于加载初始时刻。     

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。     

磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.     

红外瞬态测温装置及其在冲击拉伸试验中的应用

为研究材料在高速变形时的性态和破坏过程以及热力偶合问题,作者自行研制并设计了一套红外瞬态测温装置,同时对它进行了整体动态标定.并利用该装置在摆锤式杆-杆型冲击拉伸试验机上首次获得了三种不同材料的试件在冲击拉伸过程中的瞬态温升曲线,得到了一些颇有意义的结论。     

单轴应变：本构关系——它的内容、方法和意义

论述了单轴应变加载下固体中偏应力的基本含义和偏应力在本构关系研究中的意义。指出了加载-卸载波剖面测量在本构关系研究中的重要作用。建立了测量金属材料在平面冲击压缩下的剪切模量的基本方法，对表征固体材料弹性特性的剪切模量在冲击压缩状态下的物理含义做出了解释。根据剪切模量的一般性定义，建立了描写受冲击材料的准弹性-塑性卸载特性的有效剪切模量与纵波声速和横渡声速的关系。通过同时测量受冲击材料中的追赶稀疏波速度和波后粒子速度，获得了LY12铝在20～110GPa冲击压力和无氧铜在41～104GPa冲击压力下的声速和剪切模量，以及从冲击压缩状态卸载时沿着准弹性卸载路径的声速和有效剪切模量。 对目前广泛使用的描写单轴应变下固体材料的加载-卸载响应特性的SCG本构模型进行了分析，指出该本构关系的局限性，认为这种本构关系原则上不能用来描写受冲击材料的卸载过程。根据LY12铝和无氧铜的实验研究结果，对SCG本构关系中的剪切模量方程进行修正，讨论了修正的物理含义。修正后的方程与实验测量结果符合很好，在此基础上提出新的加载本构方程。 根据铝和铜沿着准弹性卸载路径的声速测量结果，提出了描写受冲击压缩固体的准弹性卸载的有效剪切模量方程和相应的屈服强度方程。建立了单轴应变下包含加载-卸载过程的新的本构方程。根据本文的实验测量结果，给出了铝合金和无氧铜卸载本构方程的解析形式，确定了相关参数。 依据文中提出的加载本构和卸载本构方程，对实验测量的6发LY12铝的波剖面、美国5发6061-T6铝合金的加载-卸载波剖面及冲击波衰减数据，进行了数值模拟计算和预测。计算中采用与本文测量相同的卸载本构参数，计算结果与实验结果符合很好，再现了这些波剖面的准弹性-塑性卸载行为和冲击波衰减行为。对3发无氧铜波剖面的计算模拟，也获得了令人满意的结果。 最后，从现象学出发，对发生在冲击波阵面内的弹-塑性屈服过程进行了分析，对固相区冲击波后材料的状态不在屈服面上的原因进行解释。     

泄爆管瞬态火焰温度光谱法测量

火焰温度是泄爆管重要性能参数。因其泄爆点火时间在微秒至毫秒级,故一般测温方法不适用这类瞬态过程。本文介绍一种改进的钠谱线翻转光谱测温方法,它以高速斩光器机械地遮断参考光源,用高频响的的接收转换和瞬态记录装置实时记录火焰和火焰与参考光源叠加时的光谱辐射强度,即可测得各瞬时的火焰温度随时间变化曲线。 该方法的特点是实时,非接触测量,测温范围1500～3000K,时间分辨率50s,它操作简便,数据可靠,同样也适用于其他瞬态高温系统,如枪口闪光温度测量。     

重玻璃高压声速精密测量与反向加载光分析技术研究

研究了重玻璃黑体窗光分析技术,提出采用无氧铜标准样品(Hugoniot参数和声速 压力曲线已知)进行反向加载,确定重玻璃窗中的波后卸载声速,分析了声速测量不确定度。获得了76～160GPa压力范围内重玻璃Hugoniot参数、冲击温度和卸载声速的实验数据,声速测量不确定度小于2%。分析比较了不同装配条件对波形质量和声速测量不确定度的影响,发展了反向加载光分析技术。     

不同位移加载速率下突出煤的红外辐射温度变化规律

为了探究不同位移加载速率下突出煤煤体失稳破坏的红外前兆信息,以0.02mm/s、 0.01mm/s、 0.005mm/s三种位移加载速率施加载荷,开展平煤十二矿和新景矿突出煤体加载破坏过程中红外辐射规律试验。试验结果表明:不同位移加载速率下煤样产生变温现象,低速位移加载速率时,煤样温度增加幅度变大,相同位移加载速率下,新景矿突出煤试样比平煤十二矿的红外辐射温度变化大;平煤十二矿和新景矿突出煤试样加载产生红外辐射的物理机制一致,均存在热弹效应和摩擦热效应;平煤十二矿突出煤试样破裂失稳红外辐射前兆表现为台阶式上升趋势,而新景矿突出煤试样表现为阶跃式、突增型上升趋势。     

Phase-Transformation Fronts Evolution for Stress- and Strain-Controlled Tension Tests in TiNi Shape Memory Alloy

Nucleation and development of phase transformation fronts in TiNi shape memory alloy subjected to the stress- and strain-controlled tension tests were investigated. A thermovision camera was applied to register the distribution of infrared radiation emitted by the specimen and to find its temperature variations. During the loading, narrow bands of considerably higher temperature corresponding to the martensitic phase, starting from the central part of the specimen and developing towards the specimen grips, under both approaches, were registered. The inclined bands of heterogeneous temperature distribution were observed also during the unloading process of the SMA, while the reverse transformation accompanied by temperature decrease took place. Thermomechanical aspects of martensitic and reverse transformations for various strain rates were analyzed under both stress- and strain-controlled tests.     

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。     

基体材料对铝蜂窝动态强化特性的影响

为了明确基体材料对铝蜂窝动态强化行为的影响，首先从铝蜂窝结构中取出蜂窝壁，制成小试样并对其进行了力学性能测试，然后对几何参数相同而基体材料不同的2种铝蜂窝材料分别进行了单轴面外静态和动态压缩实验。实验结果表明, 2种铝蜂窝均存在明显的动态强化现象，但动态强化率存在显著差异。横向惯性理论可以解释蜂窝的动态强化行为和强化率的差异:基体材料应变硬化率高的铝蜂窝，其面外方向的动态强化现象相对更显著。     

Loading and unloading split hopkinson pressure bar pulse-shaping techniques for dynamic hysteretic loops

Pulse-shaping techniques are developed for both the loading and unloading paths of a split Hopkinson pressure bar (SHPB) experiment to obtain valid dynamic stress-strain loops for engineering materials. Front and rear pulse-shapers, in association with a momentum trap, are used to precisely control the profiles of the loading and unloading portions of the incident pulse. The modifications, ensure that the specimen deforms at the same constant strain rate under dynamic stress equilibrium during both loading and unloading stages of an experiment so that dynamic stress-strain loops can be accurately determined. Dynamic stress-strain loops with a constant strain rate for a nickel-titanium shape memory alloy and polymethyl methacrylate are determined using the modified SHPB. The modified momentum trap prevents repeated loading on a specimen without affecting the amplitude of the desired loading pulse and without damaging the bar at high stress levels.     

Measurement of uniform and localized heat dissipation induced by cyclic loading

An experimental technique is presented for measuring the heat dissipation and localization during cyclic loading of materials. The temperature field is measured by a number of thermistors and an infrared camera, which scans the specimen surface continuously. The specimen is mounted inside an isothermal chamber. The measured whole-field temperature can be used for detection of damage propagation and localization. The resolution of the technique under various boundary conditions is discussed using a onedimensional model for the heat loss under steady-state conditions. Applications of the technique are demonstrated for specimens made of fiber-reinforced ceramic and polymer matrix composites (PMCs). A methodology is proposed for measuring changes in damping and stiffness properties of viscoelastic polymer matrix composites using the temperature rise of a cyclic loaded specimen. It is demonstrated that for a ceramic matrix composite, where interfacial frictional sliding gives rise to heat dissipation, the temperature resolution can be used for detection of stress-strain hysteresis with an accuracy better than that of the stress-strain data.     

应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性

基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s?1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。     

爆轰加载下金属锡层裂破碎数值模拟

对爆轰加载下低熔点金属锡的层裂破碎问题开展了数值模拟。在利用实验数据对所采用数值方法和材料模型开展对比验证的基础上，通过对样品内部物理量时间及空间分布演化对比分析，剖析了冲击加-卸载中样品内部应力波与材料相互作用过程。此外，通过对比分析不同厚度锡样品在爆轰加载下的动态行为特征，进一步认识了自由面反射稀疏波、边侧稀疏波和入射稀疏波共同作用下层裂破碎演化机制。结果表明，当样品较薄时，层裂破碎行为由反射稀疏波主导；随着样品厚度的增大，反射稀疏波主导区缩小，入射稀疏波和边侧稀疏波主导区逐渐增大。     

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。     

Strain-rate effects during reverse torsional shear

When a material is rate sensitive during loading, it may also be expected to be rate sensitive during unloading and reverse loading. To investigate this matter, a series of experiments was performed on a moderately ratesensitive magnesium alloy. A modified torsional split-Hopkinson-bar system was used in which a high shear-strain rate can be suddenly imposed on a short specimen while it is being plastically twisted in the opposite sense at a much lower rate. The torsional pulse has a short rise time and a large amplitude, and is of approximately 1 ms useful duration. This allows the specimen to be unloaded and plastically loaded to fracture in the opposite sense within a few microseconds. Forward loading was kept throughout at a shear-strain rate of about 0.006 s^?1, while the reverse straining occurred at 0.006, 250 and 1100 s^?1. Strain-rate dependence of the reverse loading at various plastic prestrain values ranging from 0.0 to 0.3 is presented and discussed as a macroscopic phenomenon in the context of various ‘Bauschinger-effect’ stress parameters.