含能材料在低温条件下冲击压缩力学性能的实验研究

采用自制的含能材料动态变温压缩实验装置，在低温环境下，对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ和单质炸药ＴＮＴ进行了动静态压缩实验，测试了压缩模量、压缩强度等材料性能参数。实验结果表明:在低温条件下，Ｃｏｍｐ，Ｂ和ＴＮＴ材料具有明显的应变率效应和温度效应，复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ的压缩模量和压缩强度都高于ＴＮＴ炸药，Ｃｏｍｐ．Ｂ对温度效应更为敏感。还讨论了惯性效应对动态实验波形的影响，通过引入柔度系数，使测试波形趋于光滑。所介绍的实验方法为研究含能材料在低温条件下的冲击压缩性能，提供了一套较完整的技术和手段。     

特种泡沫塑料的动态力学性能研究

通过大尺寸分离式Hopkinson压杆对特种泡沫塑料进行了高应变率冲击实验，完整地给出了该材料在高应变率下的动态应力应变曲线，并将结果和理论上的Eyring模型进行了比较，指出了这种材料在一定的应变率范围内，具有明显的应变率效应，同时从应力应变曲线的特点来看，这种材料又有良好的吸能特性，最后通过对实验数据的拟合，提出了便于工程应用的动态本构方程。     

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。     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

冻土动态力学性能的实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)对4种低温下的冻土进行了4种高应变 率的动态压缩实验. 实验结果表明：冻土不仅具有温度效应,还具有应变率效应,两种效应 反映出冻土材料的时温等效性. 另外这种时温等效性在分析冻土材料的破坏过程时还体现在 它的冻脆性和动脆性. 冻土材料动态应力应变曲线的汇聚现象和振荡现象均起源于这种冻脆 性和动脆性.     

热冲击下 A3 钢力学性能的研究

对一定拉伸预载下的Ａ３钢试样进行了快速加热实验,研究了温升率对Ａ３钢力学性能的影响。结果表明：温升率对自由热膨胀影响不大;温升率越大,产生相同塑性变形需要的温度越高;温升率明显影响Ａ３钢内部变化机制;温升率将决定试样热冲击后的晶粒大小。     

沙漠砂混凝土动态力学性能实验研究

采用直锥变截面式Φ74mm分离式霍普金森压杆,对不同替代率沙漠砂混凝土进行冲击压缩实验,得到了不同替代率沙漠砂混凝土在不同应变率下的应力应变曲线。分析应变率对沙漠砂混凝土峰值应力、峰值应变和比能量影响,揭示了沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土峰值应力影响规律,并对沙漠砂混凝土动态破坏模式进行研究。研究表明:随着应变率增加,沙漠砂混凝土峰值应力、强度增强因子、比能量和峰值应变逐渐增大;在同一应变率下,随着替代率增加,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小。本文研究结果可为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。     

矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的冲击力学性能

以矿渣和粉煤灰为原料,以氢氧化钠和液体硅酸钠为激发剂制备出养护28 d后静态抗压强度高达56.4 MPa的矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土（geopolymer concrete, GC）试件,以普通硅酸盐水泥为原料制备出养护28 d静态抗压强度高达61.6 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土（ordinary Portland cement concrete, PC）试件,采用100 mm霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置分别对GC试件和PC试件进行冲击压缩试验,得到了2种材料在0~100 s-1平均应变率范围内的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线,并与PC进行了对比,研究了矿渣-粉煤灰基GC的冲击力学性能。结果表明,GC作为一种新型混凝土类材料,在冲击荷载作用下具有较好的强度、变形性能和韧性;GC是一种率敏感材料,冲击荷载作用下抗压强度、变形性能和韧性随应变率的增大而增强;和PC相比,冲击荷载下GC的抗压强度较小,韧性较低,GC在开始破坏前产生的变形与PC的基本相等,完全破坏时产生的变形较小。     

钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究

介绍了利用100 mm SHPB装置获得钢纤维高强混凝土冲击压缩应力-应变曲线的试验研究。同一类试样在静态和动态共4个不同应变率下的试验结果揭示混凝土是应变率敏感材料,其破坏应变、峰值应变和弹性模量表现出显著的应变率强化效应。从静态和动态压缩下混凝土损伤演化的不同形式对这种应变率强化效应进行了详细讨论。从相近应变率下不同钢纤维含量试样的试验结果中,发现冲击压缩下钢纤维对混凝土的增强效应随应变率的增大而减弱。从钢纤维对混凝土静态和动态压缩下损伤演化形式的影响,讨论了钢纤维对混凝土的这种增强效应。     

钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能

为了研究混凝土材料在钢质套筒侧限约束下的动态力学性能参数和破坏规律,采用分离式大直径（75 mm）SHPB实验技术,测试了钢质套筒侧限约束下不同混凝土试件在不同载荷作用下轴向或径向的应力、应变峰值,平均应变率,计算了混凝土材料的损伤值,描述了加载破坏现象,对实验结果进行了分析。结果表明:混凝土材料在被动围压下,延性、抗破坏能力得到加强,具有明显的增强效应。被动围压下SHPB实验中混凝土材料的破坏应变为典型SHPB实验中破坏应变的1.8～2.8倍;破坏应力达到150 MPa以上,为静力学无围压条件下的2～5倍。     

PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明：(1) 试验应变率临界值为200 s⁻¹,当试验应变率大于200 s⁻¹时,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2) 碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3) 使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4) 通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。

     

Effect of crystalline grain structures on the mechanical properties of twinning-induced plasticity steel

In order to improve the mechanical properties of twinning-induced plasticity steel, the grain morphology was tailored by different solidification technologies combined with deformation and heat treatment processing routes. Three typical grain morphologies, i.e., equiaxed, columnar as well as equiaxed/columnar grains were formed, and their mechanical behaviors were comparatively studied. Among the three materials, the equiaxed grain material exhibited the highest strength but the lowest plasticity. Depending on the grain size, the smaller the grain size, the higher the strength, but the lower the elongation. The columnar grain material possessed the most excellent plasticity but the weakest strength.These properties presented a non-monotonic dependence on the dendrite spacing, and the moderate spacing resulted in the optimum combination of strength and plasticity. The equiaxed/columnar grain coexisted material showed interesting properties, i.e., the strength and plasticity were just between those of single grain-shaped materials. The three materials also presented different strain hardening behaviors particularly in the uniform deformation stage. The equiaxed grain material showed a constant strain hardening rate, while the columnar grain and equiaxed/columnar grain materials showed a progressively increasing rate with increasing the true strain.     

晶粒度对纯铝动态力学性能的影响

通过热处理方式制备了3种不同晶粒度的纯铝样品。利用分离式霍普金森压杆加载装置测量了3种纯铝在应变率102～104 s-1范围内的应力应变曲线。实验曲线表明,纯铝的屈服应力和流动应力随晶粒度的增大而减小;根据实验数据拟合了纯铝在动态下的Hall-Petch公式。同时采用一级轻气炮对3种纯铝进行了层裂实验,结果表明晶粒度对纯铝的层裂特性几乎没有影响。     

An investigation of grain size and nitrogen-doping effects on the mechanical properties of ultrananocrystalline diamond films

Due to the lack of thorough understanding of the ultrananocrystalline diamond (UNCD) growth mechanism, a simple procedure is proposed to form a polycrystalline UNCD block with an artificial grain boundary (GB). The mechanical responses of the resulting UNCD films with various grain sizes are investigated by applying displacement-controlled tensile loading in the molecular dynamics simulations. By randomly adding different numbers of nitrogen (N) atoms into the GBs of these polycrystalline UNCD films, the effects of N atom number density and GB width on the mechanical properties of UNCD are also studied. It appears that the initial elastic moduli of pure and N-doped UNCD films are size-insensitive, although their tensile strengths decrease with the specimen size. The initial elastic modulus of N-doped UNCD is insensitive to the GB width, while the tensile strength decreases with both the N atom number density and the GB width.     

Influence of desert sand on the mechanical properties of concrete subjected to impact loading

A74-mm-diameter Split Hopkinson pressure bar was used to carry out the dynamic compression experiment of concrete made of desert sand.The dynamic failure processes of concrete different in specimen size,impact velocity,desert sand replacement ratio,size and volume content of coarse aggregate were simulated.Research results showed that concrete made of desert sand had size-effect and was rate-dependent.The peak stress of concrete made of desert sand declined with the minimum size of coarse aggregate.However,the peak stress of concrete made of desert sand increased first,and then declined with the volume content and maximum size of coarse aggregate.     

Experimental study on mechanical properties of methane-hydrate-bearing sediments

Mechanical properties of methane hydrate-bearing-sediments (MHBS) are basic parameters for safety analysis of hydrate exploration and exploitation. Young’s modulus, cohesion, and internal friction angle of hydrate-bearing sediments synthesized in laboratory, are investigated using tri-axial tests. Stress-strain curves and strength parameters are obtained and discussed for different compositions and different hydrate saturation, followed by empirical expressions related to the cohesion, internal friction angle, and modulus of MHBS. Almost all tested MHBS samples exhibit plastic failure. With the increase of total saturation of ice and methane hydrate (MH), the specimens’ internal friction angle decreases while the cohesion increases.     

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现：径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感,径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。