Ta2钛合金绝热剪切失稳起始温度研究

利用分离式霍普金森压杆加载TA2钛合金扁平帽型试样,结合高速红外测温与金相观察,分析动态加载下帽型试样受迫剪切力学响应以及绝热剪切带温度演化,确定绝热剪切带起始温度,并讨论绝热剪切失稳起始条件。结果显示,绝热剪切带起始温度约为470K,明显低于再结晶温度,以温度470K作为起始条件,对应剪切应力时程曲线起始时刻,并非剪切应力最大值,而是应力软化至504MPa,即发生应力“塌陷”处,应力下降8.86%,塑性应变继续发展     

α-钛合金TA6的动态力学性能和剪切现象分析

诸多文献已经报道了β和(α β)钛合金冲击和爆炸加载下的绝热剪切现象,本文利用分离式的Hopkinson压杆和反射式Hopkinson拉杆对α-钛合金TA6的动态力学性能进行研究,得到不同应变率下材料的应力-应变曲线,发现钛合金TA6和其他钛合金一样也是一种应变率敏感材料。冲击拉伸加载时破坏形状45度剪切断口,然而其在冲击压缩应力作用下体现为典型的韧性,并未出现其它类型钛合金通常会出现的绝热剪切破坏。进一步分析表明:α-钛合金TA6不同于β和(α β)的钛合金,α-钛合金TA6相对于β和(α β)的钛合金是一种绝热剪切不敏感的材料。同时也利用应力状态的柔韧系数的概念对拉伸时45度的剪切断口解释。     

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。     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

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。     

基于PVDF薄膜传感器的猪肝动态压缩力学性能测试

瞬态冲击载荷作用下肝脏的力学响应是损伤生物力学的重要研究内容。本文提出了一种可用于软组织动态压缩力学特性测试的改进SHPB(分离式霍普金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar)方法。该方法采用PVDF(聚偏氟乙烯,Polyvinylidene Fluor)压电薄膜传感器测量实验过程中试件两端面的受力,以此来计算试件的应力,从而无需测量透射杆上的微弱透射信号。猪肝试样前后端面的PVDF压电信号对比表明,加载过程中试样达到了动态应力平衡状态。试样动态压缩中的惯性效应主要在加载的初始阶段对透射应力信号造成较大影响,在大变形阶段惯性效应引起的轴向应力较小。利用此方法对猪肝组织进行三种高应变率(1800s^-1,2500s^-1,3500s^-1)的动态压缩实验,并采用基于真实应变的惯性效应公式对实验数据进行修正计算。结果表明:猪肝组织在准静态与高应变率时的应力应变曲线都呈现出凹向上的非线性特征,即曲线初始阶段应力增长较缓慢,当应变达到15%后应力值则迅速增大;猪肝组织也具有明显的应变率效应,即随着应变率的增加,应力应变曲线的整体应力值也随之增大。最后,采用黏超弹性本构模型描述了猪肝组织的动态应力应变曲线。     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态，研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下，电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大，随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程，具有与基体完全不同的等轴晶形貌，晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构，既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构，也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构，即(111)沿着宏观剪切面，<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界，同时存在与基体相同的孪生织构，可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

一种新的高应变率复合压剪实验技术

提出了一种新的基于Hopkinson杆实验技术的在102~103s-1高应变率下实现压剪复合加载的实验装置,并给出了相应的理论分析和数值模拟。为了获取材料在复杂应力下的本构关系,借助斜飞片冲击实验的思想,对Hopkinson杆进行改造,将入射杆的末端改进为截锥形,以便在试样中同时产生压缩和剪切应力。利用有限元分析软件LS-DYNA对试样中的应力波传播进行模拟计算,并利用改进装置进行了初步实验。计算和分析结果表明,利用所设计的装置可以实现对试样的动态压剪复合加载,获得材料在高应变率复杂应力加载下的本构响应,进而建立材料在复杂应力状态下本构行为的描述。     

非均质结构PBX炸药的动态压缩过程模拟

采用离散元方法,构建了考虑PBX炸药晶体颗粒与黏结剂非均匀性的计算模型,通过在炸药试样两端采用相向飞片加载、将原SHPB实验的应力边界替代为速度边界的方法,开展了PBX炸药的动态压缩数值模拟研究,再现了考虑PBX炸药非均质特性的SHPB实验过程,获得了不同加-卸载路径下炸药应力应变曲线以及相应的损伤破坏图像。模拟结果表明:在动态压缩过程中,虽然PBX炸药处于整体应力平衡,由于PBX高度非均质性,内部应力分布并不均匀,晶体间应力以应力桥形式传递;应力曲线为试样整体平均,试样内局部所受真实应力可能高于曲线峰值应力;出现卸载回滞曲线的试样发生局部损伤破坏,而完全软化曲线的试样发生整体失稳破坏。     

试样形状对轴承钢绝热剪切带微观组织的影响

绝热剪切带(ASB)的微观组织受试样几何形状的影响。对圆柱、帽形和剪切压缩型三种不同形状的试样进行分离式霍普金森压杆高速冲击试验，研究试样形状对轴承钢绝热剪切带的形成和微观组织的影响。结果表明，在应变率为1 800～3 100 s^-1的范围内，材料对应变率的敏感性很低。圆柱试样呈现明显的应变硬化，而帽形试样和剪切压缩型试样(SCS)在不同应变率下分别出现应变硬化和无应变硬化的特征，但流变应力并未因应变硬化而提高。试样形状对ASB的微观形貌和组织有很大影响。圆柱试样上产生了窄且细长的ASB，只发生了应变诱发的晶粒细化，属于形变ASB；帽形试样和SCS则形成大片状的ASB，由等轴晶组成，且发生了体心立方体(BCC)马氏体转变为面心立方体(FCC)奥氏体的相变，属于相变ASB。尤其是SCS中ASB的等轴晶，有非常清晰的晶界，是典型的动态再结晶晶粒。温升计算结果显示，圆柱试样ASB的温升远低于奥氏体相变温度，而帽形试样和SCS的温升高于马氏体的熔点，导致局部熔融。     

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。     

双相高强钢FeNiAlC的动态剪切行为及微结构机理

绝热剪切带是金属材料在高应变率载荷下常见的一种失效模式。利用霍普金森压杆装置,对双相钢Fe-24.86Ni-5.8Al-0.38C不同微结构的帽形样品施加冲击载荷,研究它的动态剪切变形行为及微结构机理。先通过对固熔处理得到的粗晶态样品进行大应变冷轧获得冷轧态样品,再使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征两种样品冲击前后微结构的变化差异。结果表明,双相钢FeNiAlC拥有较优异的动态剪切性能,剪切强度达1.3 GPa,均匀剪切应变达1.5。变形前,材料由奥氏体相和马氏体相构成,马氏体体积分数约为20%。变形过程由位错滑移和孪生变形主导,但因应变速率较高致使马氏体相变被抑制。不同微结构样品内均形成绝热剪切带,带内发生动态再结晶,形成超细晶粒,平均晶粒尺寸约300 nm,且剪切带内不发生相变;冷轧态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值(12.3 μm)较好吻合,而粗晶态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值（30 μm）相差甚远,初步分析可能是因为粗晶态样品应变较大基本不满足完全绝热的理论条件。在变形过程中,粗晶态因塑性变形做功产生的绝热温升高达720 K,而冷轧态的只有190 K。通过实验结果与热塑模型分析,得出绝热温升不是形成绝热剪切带的唯一因素,而应考虑材料的微观结构和局部化变形等的共同影响。     

Atomistic potentials based energy flux integral criterion for dynamic adiabatic shear banding

The energy flux integral criterion based on atomistic potentials within the framework of hyperelasticity–plasticity is proposed for dynamic adiabatic shear banding (ASB). System Helmholtz energy decomposition reveals that the dynamic influence on the integral path dependence is originated from the volumetric strain energy and partial deviatoric strain energy, and the plastic influence only from the rest part of deviatoric strain energy. The concept of critical shear banding energy is suggested for describing the initiation of ASB, which consists of the dynamic recrystallization (DRX) threshold energy and the thermal softening energy. The criterion directly relates energy flux to the basic physical processes that induce shear instability such as dislocation nucleations and multiplications, without introducing ad-hoc parameters in empirical constitutive models. It reduces to the classical path independent J-integral for quasi-static loading and elastic solids. The atomistic-to-continuum multiscale coupling method is used to simulate the initiation of ASB. Atomic configurations indicate that DRX induced microstructural softening may be essential to the dynamic shear localization and hence the initiation of ASB.     

圆柱形爆炸容器绝热剪切瞬态失效过程

开展了圆柱形爆炸容器逐级加载和破坏实验,根据容器最终的断裂面和微观形貌观测,提出了爆炸容器绝热剪切失效模式.建立了应变率-应变空间内的绝热剪切损伤演化模型,将绝热剪切不同演化阶段的临界状态与宏观的力学条件联系起来,并将这些力学临界条件作为动态失效准则引入到宏观计算程序中,模拟爆炸容器发生绝热剪切的的瞬态过程,模拟结果成...     

A NOVEL APPROACH TO TESTING THE DYNAMIC SHEAR RESPONSE OF Ti-6Al-4V

Modifications were made on the traditional split Hopkinson pressure bar (SHPB) system to conduct dynamic shear tests. The shear response of Ti-6Al-4V was acquired at a shear strain rate of 10 4 s 1 by using this modified apparatus. The geometry as well as the clamping mode of the double-notch specimen was optimized by commercial FEM software ABAQUS, and the feasibility of the experiment set-up was validated. A shear stress calibration coefficient of τ = 1.03 and a shear strain calibration coefficient of Γ = 0.50 were obtained.We have employed high-speed photography to record the deformation process, especially the initiation and propagation of adiabatic shear band (ASB), during the dynamic shear test. The frames show that the time duration from ASB initiation to its completion is less than 2 μs, from which we can estimate that the propagation speed of ASB within Ti-6Al-4V is more than 1250 m/s under such loading conditions. The temperature rise within ASB is also estimated to be T 2 ≈ 1460℃ based on energy balance. Such high temperature has led to softening of the material within the ASBs, and has intensified the shear localization and finally resulted in fracture of the material.     

Adiabatic shear localization in the dynamic punch test,part II: numerical simulations

The behavior of 1018 steel, 6061-T6 aluminum, and titanium 6%Al–4%V alloy during the dynamic punch test is investigated using the finite element method. Specifically, the possibility and effects of adiabatic shear localization and its role in burr formation are examined, and comparisons to experimental tests in the first part of this two part study are made. A maximum stress criterion involving strain and strain rate hardening and thermal softening is used to determine the occurrence of shear localization in the simulations. It is observed that adiabatic shear localization occurs in the simulations of the titanium alloy. This material exhibits narrow regions of concentrated shear strain during the deformation, and the shear localization criterion is satisfied in these regions. The strain is more widely distributed in the other two metals, and the same criterion is not satisfied. In the calculations of the shear localization criterion it is seen that strain rate hardening has a significant effect when compared to strain hardening and thermal softening. Also, contact between specimen and punch is lost around the center of the punch during operation. This loss of contact is important as it leads to higher stress concentrations at the punch corner and dishing of the blank.     

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。     

Determination of the Johnson–Cook Material Parameters Using the SCS Specimen

This note addresses the determination of the Johnson-Cook material parameters using the shear compression specimen (SCS). This includes the identification of the thermal softening effect in quasi static and dynamic loading as well as and the strain rate hardening effect in dynamic loading. A hybrid experimental–numerical (finite element) procedure is presented to identify the constitutive parameters, with an application to Ti6Al4V alloy. The present results demonstrate the suitability of the SCS for constitutive testing.