陶瓷材料的动态压缩测试

陶瓷材料是地面车辆和航空器防护装甲的重要组成材料。一直以来，陶瓷材料的高应变率压缩性能都受到众多研究者的密切关注。陶瓷材料的高应变率压缩性能是通过SHPB试验获得的。对于传统的SHPB试验，必须满足“一维应力假设”、“试样的轴向应力均匀假设”和“压杆弹性假设”，才可以得到有效的测试结果。而这些基本假设均受到陶瓷材料高强度、高弹性模量和高脆性的挑战。     

铈γ→α相变的室温动态特性

通过试样组件尺寸匹配设计的被动围压SHPB实验,获得了99.8%纯铈在1.7GPa静水压内的、包含γ?α相变和逆相变过渡区的室温动态静水压-体应变连续曲线。研究显示:室温铈γ→α相变是具有明显滞后现象的一级相变,而非以往研究认为的体积跃变的一级相变;相变过渡区的静水压范围是0.8~1.3GPa。逆相变过渡区的静水压范围是0.6~1.1GPa;逆相变过渡区的静水压-体应变曲线滞后于相变过渡区的静水压-体应变曲线0.15GPa静水压;在相变和逆相变过渡区内,静水压-体应变曲线按照约4.2GPa体积模量的线性关系演化;演化机制为γ和α两相均匀混合、静水压驱动两相组份转化。基于该演化机制,构建了描述相变前后和相变过程的静水压-体应变响应的三段线性模型。     

组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术

讨论和分析了当前高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,为了获得材料在高温下可靠的动态力学性能,建立了一套在压杆和试件之间添加隔热陶瓷短杆的高温SHPB实验系统。相比于传统接触式高温SHPB方案,该系统可以使用在更高的冲击载荷和温度下,与机械对杆方案相比,实验装置及其控制要简便许多。结合有限元模拟,对陶瓷短杆及温度场对压杆中应力波传播的影响进行了相应的评估,并利用这套实验系统得到了800℃下HR2抗氢钢的动态压缩应力-应变曲线。     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

JOB-9003的动态性能实验

对JOB-9003进行了SHPB压杆实验和逆向Taylor柱实验,研究其在冲击载荷下的动态特性,为进行JOB-9003的本构模型研究提供实验数据基础。通过对SHPB实验获得的应力应变曲线分析得出:在中低应变率范围,JOB-9003应变率对应力的影响成线性关系。通过对逆向Taylor柱实验获得的变形照片分析,发现破坏损伤对材料的力学性能影响显著,不可忽略。利用Taylor实验的结果对SHPB实验中获得的本构模型进行校核,发现该本构模型并不能准确描述处于高应变率下的材料压缩变形。     

纯钽动态本构关系的实验研究

利用材料试验机和分离式霍布金森压杆实验装置测量了纯钽在较宽温度(-100～550℃)和应变率(10-5～103s-1)范围内的应力 应变曲线,该曲线表明钽的流动应力对温度和应变率都很敏感。利用所测得的应力 应变曲线拟合了钽在不同应变率和不同温度下的Johnson Cook与Zerilli Armstrong本构方程,Zeril li Armstrong本构方程与实验数据基本吻合,Johnson Cook本构方程与实验数据吻合得不太好。对Johnson Cook本构方程中的应变率强化项作了修正,修正后的Johnson Cook本构方程与实验数据吻合比修正前的好。     

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。     

Measurement on Effective Shear Viscosity Coefficient of Iron under Shock Compression at 100GPa

The oscillatory damping curve of a shock front propagating in iron shocked to 103 GPa is measured by use of two-stage light-gas gun and electric pin techniques. The corresponding effective shear viscosity coefficient is deduced to be about 2000 Pa.s from Miller and Ahrens＇ formula. The result is consistent with that of Mineev＇s data at 31GPa, while it is higher by five orders than the predictions based on the static measurements at about 5 GPa and 2000K and molecular dynamic simulation up to 135-375 GPa and 4300-6000 K, and the discussions are presented.     

高温高应变率下纯锆的本构模型研究

 研究了常温至1 073 K、不同应变率下（4.1×10^－4 s^－1～2.8×10³ s^-1）锆的压缩力学性能。结果表明,锆的流动应力对温度和应变率的变化比较敏感,随应变率的提高而增大,随温度的升高而降低。基于位错动力学理论,建立了锆的本构模型,并考虑塑性变形过程中孪晶演化的影响,对模型进行了修正。修正后的本构模型预测结果与实验结果吻合较好,可描述很宽应变率和温度范围内锆的塑性变形行为。     

纯锆的本构模型研究

采用基于位错动力学理论的USCD模型，经拟舍得到纯锆的本构模型。针对其在较高应变率和较低温度下的预测结果和实验数据偏差较大的缺点，考虑锆塑性变形过程中孪晶演化的影响，对模型进行了修正。修正后的本构模型可以较好地描述纯锆在较宽温度范围内、不同应变率下的塑性变形行为，本构模型预测结果和实验数据吻合很好。