表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.      

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。     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

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。     

TC25钛合金低周疲劳特性与断口分析

对TC25钛合金进行不同应力幅值下的低周疲劳试验,测试钛合金的低周疲劳寿命.在分析钛合金的低周疲劳应力应变迟滞回线的基础上,利用试验特性和应力应变本构关系,推导简化的Manson-Coffin公式,获取钛合金的应力-寿命曲线.最后,应用SEM对钛合金试样断口进行形貌观测,分析低周疲劳的断裂机理.结果表明,TC25钛合金的低周疲劳塑性变形,主要产生在加速断裂阶段.钛合金试样断面存在多处剪切唇,瞬时断裂由剪应力主导.钛合金的低周疲劳断裂以解理形核形成疲劳源,裂纹扩展存在多种模式,瞬断为准脆性断裂.     

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.     

不同爆炸载荷下TA2钛合金圆管膨胀破坏过程

金属柱壳破坏过程与材料、结构及载荷等相关,断裂结果呈现多种形式,采用有限元结合实验对不同爆炸载荷作用下,TA2钛合金圆管的破坏机制开展研究。有限元结果显示:对于理想均质柱壳,由于冲击波传播使壁厚中间形成二次塑性区,圆管壁厚中部的等效塑性应变总是大于内、外壁。在较高爆压下,裂纹在加载阶段从试样壁厚中部起始,沿45°或135°向内外壁剪切扩展;而在较低爆压下,破坏发生在自由膨胀阶段,断裂从内壁起始向外壁剪切扩展,两者破坏过程和机制不同,总体来说,与实验现象符合较好。相关实验中出现的一些外壁拉伸断裂现象,可能与试样的几何、材料缺陷等因素相关,其对金属圆管爆炸破坏的影响值得进一步关注。     

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。     

热处理对TC4钛合金动态力学性能和微观组织的影响

为揭示热处理对TC4钛合金动态力学性能及微观组织的影响，选取2种典型热处理方式和5种加载应变率开展了TC4钛合金试样的动态力学性能实验，获取了动态应力-应变数据，并进行了试样的XRD和金相分析。结果表明：高应变率下TC4钛合金应变率强化效应显著。时效处理后，TC4钛合金流动应力、屈服强度及抗压强度得到提升，而固溶时效处理后上述性能降低。时效处理和未热处理试样应力-应变曲线均具有弹性、屈服和塑性阶段，而固溶时效处理后无明显弹性和屈服阶段。固溶时效处理后流动应力随应变率增加而增加，时效处理和未热处理试样流动应力无明显变化。时效处理后试样等轴初生α相显著增大且β相含量较低，固溶时效处理后α相晶界增大且含有针状α的β转变基体，TC4钛合金力学性能与β相和亚稳β相的马氏体转变有关。     

动力应变局部化传播及尺寸效应数值模拟

采用 FLAC-3 D模拟了应变软化岩土材料局部化剪切带的发展、扩容对剪切带倾角的影响及试件的宽度效应。随着加载时步的增加 ,彼此孤立的两个应变场逐渐靠近、叠加 ,最终形成了剪切带网络。无论端面约束强或弱 ,剪切带的倾角的数值模拟结果都与罗斯科倾角比较接近。增加试样宽度 ,剪切带的宽度增加 ,剪切带变得不平直 ;宽度越大 ,岩样上端面中点的压应力 -加载时步曲线的峰值强度越大 ,宽度对弹性阶段没有大的影响     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响。实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能。在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏。同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合。     

Multiresolution continuum modeling of micro-void assisted dynamic adiabatic shear band propagation

A thermal-mechanical multiresolution continuum theory is applied within a finite element framework to model the initiation and propagation of dynamic shear bands in a steel alloy. The shear instability and subsequent stress collapse, which are responsible for dynamic adiabatic shear band propagation, are captured by including the effects of shear driven microvoid damage in a single constitutive model. The shear band width during propagation is controlled via a combination of thermal conductance and an embedded evolving length scale parameter present in the multiresolution continuum formulation. In particular, as the material reaches a shear instability and begins to soften, the dominant length scale parameter (and hence shear band width) transitions from the alloy grain size to the spacing between micro-voids. Emphasis is placed on modeling stress collapse due to micro-void damage while simultaneously capturing the appropriate scale of inhomogeneous deformation. The goal is to assist in the microscale optimization of alloys which are susceptible to shear band failure.     

The formation of multiple adiabatic shear bands

In a previous paper, Zhou et al. [2006. A numerical methodology for investigating adiabatic shear band formation. J. Mech. Phys. Solids, 54, 904-926] developed a numerical method for analyzing one-dimensional deformation of thermoviscoplastic materials. The method uses a second order algorithm for integration along characteristic lines, and computes the plastic flow after complete localization with high resolution and efficiency. We apply this numerical scheme to analyze localization in a thermoviscoplastic material where multiple shear bands are allowed to form at random locations in a large specimen. As a shear band develops, it unloads neighboring regions and interacts with other bands. Beginning with a random distribution of imperfections, which might be imagined as arising qualitatively from the microstructure, we obtain the average spacing of shear bands through calculations and compare our results with previously existing theoretical estimates. It is found that the spacing between nucleating shear bands follows the perturbation theory due to Wright and Ockendon [1996. A scaling law for the effect of inertia on the formation of adiabatic shear bands. Int. J. Plasticity 12, 927-934], whereas the spacing between mature shear bands is closer to that predicted by the momentum diffusion theory of Grady and Kipp [1987. The growth of unstable thermoplastic shear with application to steady-wave shock compression in solids. J. Mech. Phys. Solids 35, 95-119]. Scaling laws for the dependence of band spacing on material parameters differ in many respects from either theory.     

高密度合金W-Ni-Mn的绝热剪切破坏研究

应用分离式霍普金森压杆对90W-Ni-Mn合金的圆柱体试样进行了动态压缩实验,并对试样的剖面和断面进行了扫描电镜观察,结合试样的真实应力-应变曲线,发现合金在真实应变为约45％时出现明显的绝热剪切现象,随着冲击力的进一步增加,试样发生剪切断裂。可见90W-Ni-Mn合金较传统钨合金更易出现剪切带,具有更高的绝热剪切敏感性。     

内爆炸载荷作用下7A55铝合金的动态性能及断裂行为

采用圆筒爆炸实验研究了内爆炸载荷作用下7A55铝合金的动态性能,用扫描电镜和光学显微镜 对破裂样品的断口形貌、金相组织等进行了微观分析。结果表明:在本文实验条件下,7A55铝合金能够承受 360MPa的内部爆炸加载;合金的断裂方式为剪切断裂,裂缝与筒壁的径向近似成45角;靠近圆筒内侧组织 中存在剪切变形带、绝热剪切带和裂纹,沿最大剪切应力面向外扩展。     

TC4钛合金自然破片的引燃机理分析

对两种热处理条件不同的ＴＣ４钛合金圆筒在内部爆轰加载下的自然破片形成过程作了研究，并对破片的宏观断裂特征和细观断裂机理进行了分析。研究结果表明，一些引燃战斗部采用钛合金壳体的根本原因在于利用壳体破裂时形成的高温绝热剪切带和钛元素本身在高温下的剧烈氧化性。