强动载荷下金属材料塑性变形本构模型评述

爆炸、高速冲击等强动载荷作用下金属材料塑性流动的本构模型研究是冲击动力学领域备受关注的课题,近几十年来的研究成果极大地推动了冲击波物理、冲击动力学、材料科学等领域的发展. 本文对金属材料塑性变形动力学数值计算中重要的、得到普遍应用的本构模型进行了回顾和评述,进一步明确其适用范围、优点和不足,为冲击载荷下材料响应的数值模拟对本构模型的选取提供参考. 其中最新的、适用范围最广的PTW本构模型应给以特别地关注,其研究方法及应用前景都值得我们借鉴和期待.      

5083H111铝合金宽应变率拉伸动态本构模型

结合5083H111铝合金较宽应变率范围2×10-4~4×102 s-1内的拉伸实验数据,揭示该铝合金的拉伸“V”型率效应特征,分析对数应变率敏感系数λ和切线模量E1的应变率和应变相关性,进而通过对Johnson-Cook模型的修正来建立合理描述5083H111铝合金较宽应变率范围内力学行为的动态拉伸本构模型.建立的动态本构模型中,流动应力包括应变率相关和应变相关两部分.该模型合理描述了5083H111铝合金的拉伸“V”型率效应特征,预测结果与实验结果较为一致.另外,结合破坏应变的对数应变率敏感系数β,得到了拉伸破坏应变预测方程,其预测结果也与实验结果基本一致.     

高应变率下计及损伤演化的材料动态本构行为

材料在高速变形过程中常常伴有不同形式的内部缺陷或微损伤的演化。大量的实验观察表明,损伤演化同时依赖于应变、应变率和温度,而且高应变率和低温之间有某种等价性。由此基于热激活机制,提出了同时依赖于应变率和应变的微损伤演化律,及相应的计及损伤弱化效应的率型本构关系。以聚丙烯/尼龙（PP/PA）共混高聚物为例,具体研究了其计及损伤演化的ZWT本构关系,并区分其率相关的本构响应及率相关的损伤演化响应。     

Comp.B复合炸药动态压缩力学性能和本构关系的研究

本文利用自制的含能材料变温动态压缩实验装置，采用准静态应变速率（１０－４／ｓ）和中等应变速率（３／ｓ），对国产复合炸药Ｃｏｍｐ．Ｂ进行了动态压缩实验。测试了Ｃｏｍｐ．Ｂ在不同温度、不同应变速率条件下的杨氏模量、断裂强度等力学性能参数。实验结果证明，Ｃｏｍｐ．Ｂ具有明显的应变率相关和温度效应。采用Ｊｏｈｎｓｏｎ提出的温度、应变率相关的本构模型，根据实验数据拟合了Ｃｏｍｐ．Ｂ材料的本构关系，分析表明该本构模型可以很好地描述材料的应变率和温度效应。这些基础研究为含能材料动态力学性能的研究和炸药早爆机理的理论分析提供了依据。     

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

采用低阻抗分离式霍普金森压杆对航空透明聚氨酯进行了高应变率下的动态力学性能测试,得到的应力应变曲线表现出了显著的非线性黏弹性特征。基于本构理论和实验数据,构建了航空透明聚氨酯的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由2部分组成:一部分表征准静态下的超弹性行为,另一部分描述非线性应变率的相关特性。利用超黏弹性本构模型对不同应变率下航空透明聚氨酯的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与实验曲线一致性良好。     

描述大应变率范围下材料响应的粘塑性本构模型

以位错动力学理论中的Ｏｒｗａｎ和Ｇｉｌｍａｎ关系为基础建立描述率相关材料非弹性响应的基本方程，选择材料准静态实验的单轴响应作为强化演化的规律，并考虑应变率敏感程度随变形产生变化的特性，建立了适用于大应变率范围内率相关材料的统一型粘塑性本构模型。对铝１１００－０在应变率范围１０－５～１０４ｓ－１内产生的有限塑性应变的单轴响应进行了理论预测，与Ｋｈａｎ和Ｈｕａｎｇ［１］的实验数据及模型预测结果进行了比较，结果表明本文模型具有较高的预测精度，在高应变率和较大应变下不容忽视率敏感参数随变形的变化。     

高应变率拉伸加载下无氧铜的本构模型

为了研究材料在高应变率拉伸加载下的动态响应,利用新型爆炸膨胀环实验技术开展了无氧铜试样环的拉伸加载实验,采用激光干涉测试技术获得了试样环拉伸变形过程的径向速度历史。数值计算发现经典JC模型不能较好地描述无氧铜试样环的膨胀过程,于是对JC模型进行了修改:增加了应变的指数硬化项来描述拉伸变形的累积效应;增加了应变率的线性项描述拉伸加载时的应变率效应;利用实验数据拟合了修改后的RJC模型参数,最终较好描述了无氧铜试样环的膨胀变形过程。     

NEPE推进剂低高应变率下改进的黏-超弹本构模型

为研究低高应变率条件下NEPE推进剂的力学特性,通过电子万能试验机和分离式霍普金森杆装置,对NEPE推进剂进行了准静态和冲击实验,得到了不同应变率下（1.667×10?4～4 500 s?1）的应力-应变曲线。实验结果表明NEPE推进剂具有明显的非线性弹性和应变率敏感性,随着应变率的增加,材料的强度、屈服应力和弹性模量显著增加,与低应变率相比,高应变率条件下材料的应变率敏感性更高。在高速冲击下材料内部瞬间产生大量热量无法及时散发出去,使得材料内部温度升高,导致材料出现软化效应,力学性能降低。本文建立了一个非线性黏超弹本构模型,其中采用Rivlin应变能函数来描述稳态超弹响应部分,采用积分型本构模型来描述材料的动态黏弹性响应部分,考虑到松弛时间具有应变率相关性,本文采用了一个率相关松弛函数来替代传统的Prony级数形式。使用极慢速压缩实验数据对本构模型中的超弹部分进行拟合获得超弹参数,然后用准静态和动态实验数据对本构模型进行拟合得出其他参数。不同应变率下的预测曲线与实验曲线具有较好的重合度,证明了该模型可以很好地描述低高应变率下NEPE推进剂的力学特性。     

Non-linear constitutive relations for magnetostrictive materials

In this paper, non-linear deformation behavior of magnetostrictive materials is studied and three magnetoelastic coupling constitutive models are developed. The standard square (SS) constitutive model is developed by means of truncating the polynomial expansion of the Gibbs free energy. The hyperbolic tangent (HT) constitutive equations, which involve a hyperbolic tangent magnetic-field dependence, are proposed to model the magnetic-field-induced strain saturation of magnetostrictive materials in the region of intense magnetic fields. A new model based on density of domain switching (DDS) is established in terms of the basic truth that magnetic domain switching underlies magnetostrictive deformation. In this model, it is assumed that the relation between density of domain switching, defined by the quantity of magnetic domains switched by per unit magnetic field and magnetic field can be described by a density function with normal distribution. The moduli in these constitutive models can be determined by a material function that is proposed to describe the dependence of the peak piezomagnetic coefficient on the compressive pre-stress for one-dimensional cases based on the experimental results published. The accuracy of the non-linear constitutive relations is evaluated by comparing the theoretical values with experimental results of a Terfenol-D rod operated under both compressive pre-stress and bias magnetic field. Results indicate that the SS constitutive equations can accurately predict the experimental results under a low or moderate magnetic field while the HT model can, to some extent, reflect the trend of saturation of magnetostrictive strain under a high magnetic field. The model based on DDS, which is more effective in simulating the experimental curves, can capture the main characteristics of the mechanism of magnetoelastic coupling deformation of a Terfenol-D rod, such as the notable dependence of magnetoelastic response on external stress and the saturation of magnetostrictive strain under intense magnetic fields. In addition, the SS constitutive relation for a general three-dimensional problem is discussed and an approach to characterize the modulus tensors is proposed.     

恒定高应变率拉伸条件下泡沫金属力学性能

为了探究泡沫金属恒定应变率动态拉伸力学行为,基于3D Voronoi模型,采用双向拉伸加载方式和1.55倍等效胞孔直径高度的试件,实现了5000 s⁻¹恒定高应变率动态拉伸条件下泡沫金属力学性能测试数值模拟实验,模拟结果显示：动态拉伸过程满足应力均匀性和变形均匀性要求,且试件破坏位置合理;在恒定应变率（0.5～5000 s⁻¹）动态拉伸时,泡沫金属的破坏应变基本不受应变率的影响;当应变率不超过500 s⁻¹ 时,破坏应力受应变率影响很小,当应变率在 500～5000 s⁻¹ 时,破坏应力随着加载速率的增大而线性增大。

     

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。     

DH36钢拉伸塑性流动特性及本构关系

对DH36钢在温度从293~800 K、应变率为0.001和0.1 s-1的拉伸塑性流动特性进行实验研究,通过端口形貌图对变形前后的试样进行了微观分析,结果表明：(1)在实验温度范围内,0.001和0.1 s-1的应变率下,第三型应变时效现象出现,随应变率的增加,时效发生的温度区域移向更高温度;(2)第三型应变时效的发生与合金原子在晶界和晶粒中大量的第二相析出强化有关联;(3)建立包含第三型应变时效现象的统一本构模型,通过比较该模型能够较好的预测DH36的塑性拉伸流动应力。     

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。

     

基于SIR模型的工程材料统一单轴本构关系研究

工程材料的单轴应力-应变全曲线反映了材料最基本的本构关系,但目前对适用于多种材料的统一本构关系研究尚不够深入。本文基于传染病传播动力学SIR模型,建立了反映材料单元动态变化的应力-应变模型。根据同伦分析方法提出了模型的解析解和近似解,并讨论了模型反映材料尺寸效应和应变率的能力。结果表明,本文提出的单轴应力-应变模型中的参数可以与实际材料的力学特性相对应,模型解能够统一、全面、准确地反映多种材料力学性能的变化规律以及尺寸效应和应变率等因素的影响。     

PP/PA共混高聚物在高应变率下的热粘弹性本构关系和时温等效性

采用Instron1342电液伺服试验机和改进的SHPB技术对以113材料为例的PP/PA共混高聚物进行了应变率在10-4~103 s-1宽广范围,温度为25、40、60、80 ℃下的一维应力力学性能试验。结果表明,这类共混高聚物的力学响应对温度和应变率都是敏感的。以朱-王-唐非线性粘弹性本构方程来描述这类PP/PA共混高聚物的力学响应,并拟合得到了其热粘弹性本构参数,理论预言与试验结果在应变小于7%时吻合良好。对113材料20~80 ℃温度范围内不同应变率下的试验结果进行分析,证明PP/PA共混高聚物存在率温等效关系,提高温度和增加作用时间（减小应变率）的效果相当,反之,降低温度与减少作用时间（提高应变率）的效果相当。通过引入量纲一参量Z,使应变率d/dt、温度T这2个参量归结为统一的Z参量,从而得到了体现时温等效性的统一曲线。     

考虑微观结构特征长度演化的内变量黏塑性本构模型

在金属晶体材料高应变率大应变变形过程中,存在强烈的位错胞尺寸等微观结构特征长度细化现象,势必对材料加工硬化、宏观塑性流动应力产生重要影响。基于宏观塑性流动应力与位错胞尺寸成反比关系,提出了一种新型的BCJ本构模型。利用位错胞尺寸参数,修正了BCJ模型的流动法则、内变量演化方程,引入了考虑应变率和温度相关性的位错胞尺寸演化方程,建立了综合考虑微观结构特征长度演化、位错累积与湮灭的内变量黏塑性本构模型。应用本文模型,对OFHC铜应变率在10-4~103 s-1、温度在298~542 K、应变在0~1的实验应力-应变数据进行了预测。结果表明:在较宽应变率、温度和应变范围内,本文模型的预测数据与实验吻合很好;与BCJ模型相比,对不同加载条件下实验数据的预测精度均有较大程度的提高,最大平均相对误差从9.939%减小为5.525%。