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。     

混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法

由于混凝土类材料在SHPB实验中很难实现恒应变率加载，为了确定非恒应变率加载下的实验数据所对应的应变率，本文中针对不同强度（C20，C45，C70）和不同钢纤维含量（0%，0.75%，1.50%，4.50%）的混凝土进行了SHPB实验。对实验得到的30组恒应变率加载下的数据进行了分析总结，结果表明:实验数据所对应的恒应变率与全段平均应变率之间存在一定的比值关系，从而混凝土类材料SHPB实验数据所对应的应变率可以采用全段平均应变率的1.38倍来表征。通过对比非恒应变率加载和恒应变率加载下得到的应力应变曲线，验证了该确定应变率方法的合理性，并指出较短恒应变率加载下实验数据对应的应变率直接采用短平台段对应的应变率来表征是不合理的。     

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。     

微电子封装组件热应变的云纹干涉法研究

本文提出云纹高频试件栅高温复制组件工艺,并应用于电子封装组件125℃～200℃,热应变的云纹干涉法测量,得到了封装组件表面在高温下的热膨胀系数,本云纹特点是灵敏度高,可全场测量,适用于电子封装组件热变形失效分析.     

921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形

应用ANSYS/LS-DYNA软件,开展了一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟.结合SHPB系统应力波理论,研究不同加载速率v0(或应力脉冲I(t))下,特别是高应变率(约106 s-1)下的压杆轴向应变波形以及相应的试件动态变形特性,并对高速撞击下压杆中应变波形的适用性作了相关讨论.     

2D-C/SiC复合材料应变率相关的动态本构模型

分别在电子万能实验机和SHPB（split Hopkinson press bar）实验装置上对2D-C/SiC复合材料进行了静态、动态实验,探讨了该材料在10-4~2.8103 s-1的应变率范围内的层向压缩力学性能。实验结果表明,在动态加载条件下,2D-C/SiC复合材料的应力应变呈非线性关系。随着应变率的提高,破坏强度提高、失效应变减小,弹性模量增加。弹性模量与对数应变率基本呈线性关系。提出了一个含有与应变率相关的损伤变量的动态本构方程,该方程与实验结果吻合较好。     

激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏

采用选择性激光熔化增材制造技术，制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样，并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020 高速拉伸试验机，并结合数字图像相关性全场应变测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究，得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线，结果显示:(1) GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应；(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征，发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变；(3) GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大，断裂应变在中低应变率下保持不变，但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术，开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验，发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大，单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变；层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处，断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。     

电子封装件在热-机械载荷作用下力学行为表征的实验方法综述

电子封装件在热-机械载荷作用下力学行为(尤其是热应力)的表征对于其机械可靠性的评价,失效分析和封装工艺的改进具有重要的意义.本文对目前该领域内主要的实验方法进行了简要的介绍,每项主要实验技术的优缺点、适用范围及其最新的发展及应用等都做了必要的阐述.这些实验技术与有限元方法的结合(杂交法)是探索电子封装件机械可靠性的最有效的方法并且代表着改领域的发展方向.     

基于DIHPB技术的高应变率剪切测试方法

在测试材料动态力学性能时，直接撞击式霍布金森压杆（direct impact Hopkinson pressure bar，DIHPB）实验系统相对于分离式霍布金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB），往往能获得更高的应变率。本文中采用一种新型双剪切试样，在DIHPB系统下对603钢进行了动态剪切测试。获得了603钢在应变率1 500～33 000 s?1的剪应力-剪应变曲线，并与SHPB系统下的测试结果进行了对比。结果表明，由两种测试方法获得的流动应力具有较好的一致性，但曲线的上升沿存在明显区别。采用数值模拟对DIHPB方法的准确性进行了验证，并对该实验方法的适用条件进行了分析。采用DIHPB方法，可以观察到603钢的流动应力存在明显的应变率效应，但在较高的加载速度下材料的失效应力随着加载速度的增加而呈降低趋势。     

云纹干涉法现场测量技术及其在微电子封装中的应用

本文研制了多功能微观云纹干涉仪系统.该系统可以现场测量电子封装组件热疲劳、热湿耦合、热载荷引起的变形,被应用于电子封装组件的可靠性分析中.由现场云纹干涉技术测得的疲劳寿命与加速热循环实验的结果相吻合.本系统还被应用于铜焊点的断裂行为分析中.实验证明本系统可以测量多层结构材料的应力强度因子、应变能释放率以及位相角.     

SnPb钎料合金的粘塑性Anand本构方程

采用统一型粘塑性本构 Anand方程描述了电子封装焊点 Sn Pb钎料合金的非弹性变形行为 ,基于 Sn Pb 合金的弹塑性蠕变本构方程和实验数据 ,确定了6 2 Sn36 Pb2 Ag、6 0 Sn40 Pb、96 .5 Sn3.5 Ag和 97.5 Pb2 .5 Sn四种钎料合金 Anand方程的材料参数 ,验证了粘塑性 Anand本构方程对 Sn Pb合金在恒应变速率和稳态塑性流动条件下应力应变行为的预测能力。结果表明 ,Anand方程能有效描述 Sn Pb钎料的粘塑性本构行为 ,并可应用于电子封装 Sn Pb焊点的可靠性模拟和失效分析     

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明：随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。     

用云纹干涉法研究金属焊点的热变形问题

本文采用现代光测力学的云纹干涉法，对铜－可伐焊接件热应变问题进行了实验研究，确定了焊层的热应变特征，结果表明：由于热膨胀系数不匹配、焊层存在复杂的应力状态，它不仅受到焊板材料对它的剪切作用，而且受到纵向拉伸、挤压作用。这对于认识微电子封装芯片焊层的热疲劳失效机理有重要意义     

45钢动态塑性本构参量与验证

运用静态实验机和SHPB装置,对45钢在常温～750C、应变率为10-4～103 s-1下的力学行为进行了研究,拟合得到了Johnson-Cook本构模型参量。开展了Taylor圆柱撞击的火炮实验,运用LS-DYNA进行了相应的数值模拟,通过二者的比较对本构模型参量进行了验证,表明所得模型参量可以较好地描述材料在高速变形下的大应变力学行为。     

两相介质剪切变形的实验研究

对(Mgx，Ni1-x)2GeO4橄榄石尖晶石两相混合物进行了剪切变形实验．实验在Paterson内伺服控制气体介质试验机中进行，围压为400MPa，温度为T＝1473K，应变率在10^—4到10^—5之间．剪切实验所用试件分为两种，一种试件为单层同结构比，其化学成分为(Mg0．9，Ni0，1)2GeO2，橄揽石和尖晶石的比例为77：23．另一种是两层不同结构比试件，其化学组成分别为(Mg0．9，Ni0，1)2GeO2和(Mg0．8，Ni0，1)2GeO2，试件中橄揽石和尖品石的比例分别为75：25和26：74．在单层同结构比试件的剪切变形实验中观测到，仅70％的总剪切变形就产生了很强的剪切带；而在两层介质的剪切试验中则观测到：一个小的化学成分的改变(10％)，引起了大的相成分的改变(10％)，同时产生了更大的剪切应变的差别(145％)．     

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH,TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应：界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

金属/环氧/金属粘结体系的强韧和失效机制实验研究

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应:界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

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。     

ZL114A铝合金本构关系与失效准则参数的确定

针对航空发动机机匣材料ZL114A铝合金,构建描述该材料在较大温度范围下大变形及失效行为的材料模型。通过万能试验机及分离式霍普金森压杆试验装置测试ZL114A铝合金在常温准静态、高温和高应变率下的力学性能,分析温度和应变率对材料流动应力的影响。采用有限元程序和优化算法反求25～375℃内材料的硬化参数,结合高应变率(1 310～5 964 s^-1)下材料的动态行为关系,构建包含塑性应变、温度及应变率的经验型本构模型。开展缺口拉伸、缺口压缩等试验并建立相对应的有限元模型,获取材料在不同应力三轴度下的失效应变,标定分段形式的Johnson-Cook (J-C)失效准则参数。通过不同温度下的平板侵彻试验和数值模拟验证失效准则及其参数的有效性。结果表明,ZL114A铝合金具有明显的应变硬化、温度软化及高应变率强化特性;具有应力饱和特征的Hockett-Sherby (HS)硬化模型较为准确地描述材料大变形下的力学行为;构建的材料本构关系可以描述ZL114A铝合金在大应变、宽温度、高应变率下的力学行为;分段形式的失效准则具有预测不同温度下材料失效行为的能力。     

竹材层合板弯曲破坏机理的实验研究

竹材层合板是为了满足一定的使用要求，由多层单向板按同一方向整齐排列、胶合、加热固化处理而成的复合结构体。由于竹材层合板的各向异性和非均匀性，它的力学行为十分复杂，特别是弯曲时不仅各个单层产生损伤破坏，而且伴随着层间胶接层的开裂。本文对竹材层合板的弯曲破坏特征进行实验研究；一系列包含变形信息的数字散斑图像被记录；采用数字散斑相关技术(DSCM)提取了三点弯曲变形过程中的面内位移场信息，分析了不同变形阶段的位移场；给出了不同弯曲变形阶段试件的应变场分布和应变集中现象；分析了中性轴在胶层开裂、层内纤维撕裂等复杂应力情况下的演化过程及规律。最终一些宏微观破坏机制被分析，例如基体开裂，界面损伤与撕裂，界面与裂纹作用等。这些研究结果将为竹材层合板的破坏机理等力学行为的研究和工程应用开发提供实验依据。