高熵合金药型罩射流成型与稳定性

近年迅速兴起的多主元高熵合金因其具有很宽的成分-性能调控范围及一系列优异力学性能, 有望替代紫铜成为新一代药型罩材料. 本文基于CrMnFeCoNi五元高熵合金动态力学性能实验和数值模拟, 探索该合金用作药型罩的适用性. 基于分离式霍普金森拉杆和材料试验机研究了高熵合金不同应变率及温度下的力学行为, 获得了高熵合金Johnson-Cook热黏塑性动态本构. 利用流动速度与临界压垮角关系对凝聚性高熵合金射流形成边界进行界定. 结合数值模拟验证了高熵合金射流形成边界的合理性, 并进一步揭示了射流高速拉伸断裂演化规律. 研究表明: 射流断裂时间与材料强度成负相关, 材料动态强度增大, 将会引起射流断裂时间下降. 本工作可为新型高熵合金药型罩结构设计提供参考.      

中高熵合金的动态力学行为研究进展

中高熵合金是近二十年提出的一种多主元金属合金,打破了传统合金以1-2种金属元素为主元的设计理念.中高熵合金由于多主元的成份设计提高了材料的构型熵和混合熵,展现出许多奇特的组织结构和性能.相比铝合金、钛合金以及钢铁等传统金属,中高熵合金表现出优异的准静态力学性能和动态力学性能等.在高应变速率下,材料的塑性变形受到更多因素的影响,如应变率、温度等.本文首先介绍中高熵合金动态力学性能(包括动态剪切、夏比冲击,动态层裂强度,侵彻自锐性等)的相关研究,并总结了中高熵合金动态变形的微结构变形机理;随后综合概括了中高熵合金中绝热剪切带行为和温度效应的研究现状;最后对中高熵合金在冲击动力学领域的应用和研究趋势提出展望.     

铀合金动态力学性能的研究

本文利用分离式霍布金生压杆研究了四种国产铀合金的动态力学性能,给出了这些材料随应变率和环境温度变化的本构关系。实验结果表明,国产铀合金具有与钨合金相当的动态强度,是钨穿甲弹中弹芯材料的极好替代物。     

CrMnFeCoNi纳米晶温度相关的拉伸行为研究

摘要：高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金。实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性。本文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟。模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理。微结构演化分析表明：低温下,塑性变形阶段,滑移系开动的较少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好。     

立式瓦楞复合纸板的平面压缩本构模型

研究了立式瓦楞复合纸板静态和动态缓冲性能,提出其静态和动态本构模型。对A楞立式瓦楞复合纸板试样进行了静态压缩和动态冲击试验,得到其应力-应变曲线;提出立式瓦楞复合纸板静态本构方程,并利用静态压缩试验数据对静态本构方程进行了参数识别;研究应变率对本构方程的影响,进而提出动态本构方程,并通过动态冲击试验对动态本构方程进行了验证。结果表明:静态压缩和动态冲击试验中,立式瓦楞复合纸板的压缩过程均包括弹性阶段、屈服阶段、平台阶段、密实化阶段;静态本构模型的拟合误差为4.79%,动态本构模型的拟合误差为2.65%,都能较好地表示立式瓦楞复合纸板在压缩过程中的应力-应变情况。所提出的立式瓦楞复合纸板静态和动态本构模型为该新型材料的性能评价提供了理论支持,对其在缓冲包装中的推广应用具有重要参考价值。     

CrMnFeCoNi高熵合金纳米晶温度相关的拉伸行为研究

高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金.实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性.论文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6.18 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟.模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理.微结构演化分析表明:随着温度的降低,塑性变形阶段滑移系开动的越少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;温度越低,模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的孔洞和断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好.     

Al基含能结构材料的Johnson-Cook本构模型及失效参数研究

利用万能实验机和Hopkinson杆装置测试了Al基含能结构材料在不同温度下的静动态力学性能,分析实验结果得到了温度效应和应变率效应对材料力学性能的影响及该合金的Johnson-Cook本构模型参数.结合二维数字图像相关(DIC)方法,研究了Al基含能结构材料的失效应变与应力三轴度及温度之间的关系,得到了该合金的Johnson-Cook失效模型参数.通过平面撞击实验获得了Al基含能结构材料粒子速度和应力波波速之间的经验线性关系和该合金的Grüneisen系数.基于实验获得的材料本构关系和状态方程参数,完成了Al基含能结构材料超高速撞击多层间隔薄钢板的数值模拟,结果表明,数值模拟中靶板的毁伤模式、破孔直径及弹坑主要散布区和实验结果吻合.     

CrMnFeCoNi纳米晶温度相关的拉伸行为研究

摘要：高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金。实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性。本文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟。模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理。微结构演化分析表明：低温下,塑性变形阶段,滑移系开动的较少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好。     

两种典型高熵合金冲击释能及毁伤特性研究

为研究FeNiMoW和FeNiCoCr两种典型高熵合金材料的冲击释能规律, 利用Φ14.5 mm弹道枪发射装置和准密闭试验容器系统开展了两种典型高熵合金破片在不同速度下冲击释能效应试验. 进一步, 利用该试验平台开展两种高熵合金破片侵彻多层目标的毁伤特性研究. 通过改变准密闭试验容器前置钢靶厚度, 研究了两种高熵合金破片对后续多层靶板的侵彻毁伤规律. 研究发现: FeNiMoW和FeNiCoCr高熵合金破片分别在1356 m/s和1217 m/s出现能量释放现象. 低于该撞击速度未发生化学反应. 撞击速度对两种高熵合金破片释能有显著的影响, 随着速度的增加, 两种高熵合金破片冲击释能反应加剧, 超压峰值上升加快. 在1600 m/s左右的撞击速度下, 随着试验容器前置钢靶厚度从1 mm增加至5 mm, FeNiMoW破片超压峰值整体上呈上升趋势, FeNiCoCr破片超压峰值呈下降趋势. 在两种高熵合金破片侵彻多层靶标过程中, 其释能反应程度的降低对破片穿孔能力的增强有一定贡献, 而容器前置钢靶厚度的进一步增大将降低破片对后续多层铝靶的穿孔毁伤能力. 另一方面, 随着前置钢靶厚度的增大, 破片对第一层铝靶的毁伤面积先增大后减小.      

考虑运动硬化的DD3镍基合金力学行为研究

详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,引入了运动硬化规律,考虑了温度和应变率对晶体塑性变形的影响,通过针对每个滑移系考虑屈服准则和流动规律建立了晶体塑性模型. 对积分过程进行了推导,通过编写ABAQUS材料用户子程序(UMAT), 实现本构模型的有限元积分算法. 在此基础上模拟了DD3镍基单晶合金在单轴拉伸和循环载荷下的响应,并与实验数据进行了对比. 利用该模型可以很好地模拟镍基单晶所具有的各向异性特性,体现了镍基单晶在循环载荷作用下的拉-压不对称性.      

镁合金塑性机制研究综述

纯镁具有丰富的微观塑性机制,尤其是孪晶,导致其塑性变形错综复杂,力学性能也与常见的面心及体心立方金属有显著差异.由于现今学界对位错滑移与孪晶变形等塑性机制缺乏充分认识,镁合金性能调控效果尚不理想,与铝合金相比,镁合金的力学性能还有很大的提升空间.基于此背景,论文首先回顾了镁合金的发展历史与应用现状.然后介绍了镁中位错滑移与孪晶变形等塑性机制的研究进展,重点阐述位错、孪晶、晶界、析出相、溶质原子等重要的微结构,并简要介绍了计算机模拟方法,最后展望了强韧性能方面值得重视的若干研究方向.     

A perturbation analysis of the unstable plastic flow pattern evolution in an aluminum alloy

In the tensile loading of sheet metals made from some polycrystalline aluminum alloys, a single deformation band appears inclined to the elongation axis in the early stage of deformation, and symmetric double bands are observed in the later stage. This evolution of spatial characteristics of such an unstable plastic flow pattern in a polycrystalline aluminum alloy has been analyzed by a perturbation method. A small number of slip modes are taken to describe the tensile strain. A rate-dependent constitutive equation is used for each slip mode to account for the interaction between dislocations and solute atoms in dynamic strain aging. Unconstrained and constrained models are used to impose appropriate loading conditions at the early and later deformation stages, respectively. Both plane-strain and plane-stress cases are considered. It is found out that the change of boundary conditions and material inhomogeneity during the course of plastic deformation are closely related to the evolution of spatial characteristics of shear band (the Portevin–Le Chatelier band) patterns observed in experiments.     

CoCrFeMoNiCx中熵合金的组织及其力学和摩擦学性能

采用真空感应熔炼技术制备了CoCrFeMoNiC_x (x=0、1、2、3、4和5)系列中熵合金,研究了C元素的掺杂及其含量对合金微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:CoCrFeMoNiC_x系列中熵合金主要由体心立方(BCC)相组成;C原子间隙固溶于BCC相,增大了合金的晶格常数,在XRD谱图中表现为衍射峰随着C含量的增加向小角度方向偏移;当C的质量分数大于2%时,BCC晶粒中有少量条状碳化物形成;随着C含量的增加,合金的硬度、强度和断裂韧性等力学性能显著提高,主要归因于C原子的间隙固溶强化效应和少量条状碳化物的出现. 与此同时,合金的磨损率持续降低,表现出良好的耐磨损性能. 室温下的磨损机制为磨粒磨损、塑性变形和疲劳磨损.      

(CuMnNi)100-xAlx高熵铜合金的显微组织、力学与摩擦学性能研究

针对工业领域对新型高强高耐磨金属材料的需求,制备了(CuMnNi)_100-xAl_x (x＝0, 5, 10, 15)系列高熵铜合金,研究了Al含量对高熵铜合金的物相组成、显微组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响. 结果表明:CuMnNi高熵合金仅由面心立方结构(FCC)的高熵固溶体相组成,Al元素的添加对合金基体FCC相产生了强烈的固溶强化作用,并促进了体心立方(BCC)相形成. FCC相具有良好的塑性和韧性,而BCC相具有高强度和高硬度,两者共同作用使(CuMnNi)_100-xAl_x系列高熵铜合金的强度随Al含量增加而提高,而塑性和韧性不断降低. 其中,(CuMnNi)₉₀Al₁₀高熵铜合金中FCC相和BCC相的含量达到最佳匹配,使其具有优异的综合力学性能. 室温下,得益于优异的力学性能和硬质BCC相良好的抗磨作用,(CuMnNi)₉₀Al₁₀高熵铜合金的耐磨性优于常规耐磨铝青铜C6161,磨粒磨损为其主要磨损机制.      

激光熔覆CoCrFeNiNbx高熵合金涂层的高温摩擦磨损性能

采用激光熔覆技术成功制备了CoCrFeNiNb_x (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金涂层,研究了Nb元素对高熵合金涂层微观组织和显微硬度的影响,分析了CoCrFeNiNb_0.75涂层在25~800 ℃的摩擦磨损性能和机制. 结果表明:CoCrFeNiNb_x高熵合金涂层主要由FCC (面心立方)相与具有HCP晶格结构的Laves相组成. 随着Nb摩尔含量的增加,CoCrFeNiNb_x的微观组织由单一的胞状晶FCC固溶体相(x=0)向亚共晶组织(x=0.25)、共晶组织(x=0.5)和过共晶组织(x=0.75,1.0)逐步发生演变. CoCrFeNiNb_0.75涂层具有最高的平均硬度(574 HV),表明适量的Nb元素的掺杂能有效提高涂层的显微硬度,这是固溶强化、第二相强化以及层片共晶组织中产生的大量新界面阻碍位错运动的边界强化相互作用的结果. CoCrFeNiNb_0.75涂层在室温下的磨损机制主要为氧化磨损和轻微的磨粒磨损,而在400和800 ℃下均为氧化磨损. 在800 ℃时,磨损表面形成了致密的氧化物釉质层,起到了良好的减摩抗磨作用,使高熵合金在高温环境下表现出了优异的摩擦磨损性能.      

Cluster variation method for determining the energy of slip-induced anti-phase boundary in BCC alloys

The cluster variation method formalism in the irregular tetrahedron approximation has been applied to the determination of the anti-phase boundary (APB) energies of anti-phases generated by the slip of multiple dislocations on a single plane in BCC alloys. The formalism has been applied to BCC Fe–Al alloys and compared with experimental results in the same system. The results shows that in the short-range ordered (SRO) state, most of the resistance to dislocation motion is felt by the first moving dislocation, which characterises slip-plane softening. For the long-range ordered (LRO) state the calculation justifies the formation of superdislocation configuration as experimentally observed in the phases at room temperature deformation. The results have been discussed in connection with the experimentally observed deformation modes of BCC Fe–Al alloys.     

高熵合金的力学性能及变形行为研究进展

高熵合金是近年来提出的一种新的合金设计理念,打破了一般合金中以1种或2种元素为主,辅以极少量其他元素来改善合金性能的传统思想,由多种元素以等原子或近似等原子比混合后形成具有独特原子结构特征的单一固溶体合金.高熵合金的多主元特性使其在变形过程中表现出多重机制(包括位错机制、形变孪生、相变等)的协同,因而高熵合金已经展示了优异的力学性能,如高强、高硬、高塑性、抗高温软化、抗辐照、耐磨等,被认为是最具有应用潜力的新型高性能金属结构材料,已经成为国际固体力学和材料科学领域研究的热点.本文首先介绍了高熵合金独特的结构特征,即具有短程有序结构和严重的晶格畸变;随后对近年来针对不同类型高熵合金(包括具有面心立方相、体心立方相、密排六方相、多相以及亚稳态高熵合金)力学性能、变形行为方面的研究成果,特别是强韧化机制以及相关的原子尺度模拟,进行了较为系统的综述;最后强调了高熵合金未来研究中所面临的一些主要问题和挑战,并对其研究进行了展望.     

聊聊动态塑性和黏塑性

固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究,而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时,到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度,分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系,且同时适用于加载和卸载;因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。

     

On dislocation patterning: Multiple slip effects in the rate equation approach

Strain localization and dislocation pattern formation are typical features of plastic deformation in metals and alloys. Glide and climb dislocation motion, along with accompanying production/annihilation processes, lead to the occurrence of instabilities of initially uniform dislocation distributions. These instabilities result to the development of various types of dislocation microstructures (dislocation cells, slip and kink bands, persistent slip bands, labyrinth structures, etc.), depending on the externally applied loading and the intrinsic lattice constraints. The term “dislocation patterning” was introduced over 20 years ago by the third author and a corresponding “gradient dislocation dynamics” framework was suggested to describe such phenomena. In the W–A model proposed at that time by the last two authors, it was shown how coupled nonlinear evolution equations of the reaction-diffusion type for the forest (immobile) and gliding (mobile) dislocation densities can generate dislocation microstructures which correspond to walls perpendicular to the slip direction for Cu-crystals oriented for single slip under cyclic loading conditions. This model is adapted to the multiple slip case here. Weakly nonlinear analysis predicts that dislocation patterns should correspond to domains of walls perpendicular to each slip direction and separated by domain walls in the same orientations. This result is confirmed by numerical analysis and experimental observations. The present model generalizes the original W–A model to the case of multiple slip and considers also explicitly gradient effects by allowing for non-uniform dislocation velocities and internal stress effects.