不同热处理条件下45钢柱壳的动态性能

以不同热处理条件下的45钢作为研究对象,利用高速摄影和金相分析来研究45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂特性,以及不同热处理条件对材料的动态断裂性能的影响。结果表明:随着回火温度的升高,45钢强度减小、静态延伸率增大,爆轰加载时柱壳表面裂纹产生及发生贯穿断裂而导致产物泄漏的时刻逐渐推迟,相应应变逐渐增加,同时回收到的破片尺寸逐渐增大;四种45钢的静态力学性能及动态断裂性能有明显差异,是因为不同热处理条件下,材料细观组织的结构、组成均发生较大变化,即材料的细观组织决定了材料的静态力学性能及动态断裂性能。     

爆轰加载下金属柱壳膨胀破裂过程研究

采用前照明的高速分幅照相对不同壁厚的45钢柱壳在爆轰加载下的膨胀破裂过程进行了研究,实验成功拍摄到45钢柱壳前表面裂纹生成、扩展及产物泄漏的过程图像。研究表明:膨胀应变率在104s-1附近时,随着应变率的增加,45钢柱壳的各特征应变均有所增加,断裂模式由拉剪混合向单一剪切转变;45钢柱壳的膨胀破裂有一个过程,从柱壳的外壁面可以观察到裂纹生成至产物开始泄漏经历时间历程的长短与柱壳壁厚相关,柱壳壁越厚,从外壁出现裂纹到产物开始泄漏的时间间隔越长;由回收破片厚度测量推算出的膨胀断裂应变与动态实验过程中产物开始泄漏时的断裂应变基本一致。     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

不同热处理条件下45^#钢柱壳膨胀断裂研究

对不同热处理条件下的45^#钢样品进行静态力学性能测试，采用高速摄影技术对相应状态的柱壳在爆轰加载下的膨胀断裂过程进行研究，并对回收破片进行金相分析。结果表明：回火温度对45^#钢壳体的静态力学性能产生明显影响；相应柱壳的动态膨胀断裂性能也有明显差别。     

膨胀柱壳恒定应变率的本构关系

考虑到金属柱壳膨胀过程中随机裂纹萌生对测试结果的可能干扰,设计了预置有中心穿透圆孔的柱壳样品,采用多普勒光纤探针测量系统获得了柱壳外壁更优的径向速度历史。基于膨胀柱壳实验中固有的非恒定应变率现象,研究了获得恒定应变率下本构方程的方法,并采用改进后的本构方程确定方法,获得了20钢恒定应变率下的应力应变关系。     

不同应变率下45钢的层裂研究

本文在利用轻气炮加载技术，确定击靶速度为500m／s左右的非对称碰撞情况下，利用VISAR测试技术，测得样品后表面的的自由面速度历史，并通过在靶前加不同阻抗的铝和有机玻璃(PMMA)来改变材料的加载应变率，其应变率范围在10^4-10^5／s情况下，测得45钢的层裂强度受应变率的影响．     

花岗岩在SHPB冲击破坏实验中最低加载应变率的杆径效应

基于Steverding-Lehnigk脆性断裂准则,分析了半正弦应力波加载条件下SHPB杆径尺寸与导致花岗岩试样单次冲击破坏对应的最低应变率之间的关系。采用杆径分别为22、36、50和75 mm的SHPB实验系统对相应尺寸规格的花岗岩试样进行了应变率从高到低的冲击实验,讨论了花岗岩试样在单次冲击破坏情形下对应的最低应变率与实验杆径的相关性。理论和实验结果表明:岩石试样的最低加载应变率随着SHPB杆径的增大而以乘方关系减小,但当应变率低到100 s-1量级时,Hopkinson杆径已超过100 mm,增大Hopkinson杆径降低加载应变率的效果不再明显。     

淬硬45钢在高温、高应变率下的动态力学性能及本构关系

在20℃~800℃的温度范围和10-3~104s-1的应变率范围内,采用电子万能试验机和分离式霍 普金森压杆,对淬硬45钢(45HRC)分别进行准静态实验和动态压缩力学性能实验,得到应力应变曲线。结 果表明:淬硬45钢的流动应力对应变率敏感性一般,但表现出较强的温度敏感性,随着应变率的增大而增大, 随着温度的升高而降低。采用以高斯函数表示温度效应的改进Johnson-Cook本构方程拟合了淬硬45钢在 高应变率和高温条件下的本构关系,拟合曲线与实验数据吻合较好。     

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。     

膨胀环受力历史对应力应变关系的影响

利用两类实验装置开展了无氧铜TU1膨胀环实验研究,发现:电磁膨胀环在加载阶段,样品受体力作用,满足均匀变形的假定;而爆炸膨胀环在加载阶段,样品内壁受面力冲击作用,不满足均匀变形的假定。针对这个差异,发展了一种考虑冲击阶段变形不均匀性的新方法,利用回收样品几何变形,将冲击阶段试样环内轴向塑性应变、径向塑性应变纳入等效塑性应变的计算中,通过修正后的方法更准确地获得了材料的应力应变关系。     

爆轰加载下柱壳断裂时刻微小差异测量方法

对于断裂时刻差异较小的对比实验,提出一种判读方法:同时采用高速摄影和干涉测速,利用高速摄影判读壳体断裂时刻应变,利用干涉测速获取壳体位移及应变曲线,两者结合得出较为精确的壳体断裂时刻差异。利用该方法得出45钢柱壳在JO-9159和JOB-9003两种炸药加载下断裂时间相差0.45 μs,钨合金柱壳在两种炸药加载下的断裂时间相差0.39 μs。同时该方法可以推广应用于单发壳体膨胀断裂实验中,更精确测定壳体的断裂时刻。     

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度(覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉伸断裂应力,在102~104s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。     

45号钢的动态力学性能研究

对45号钢在不同环境温度(25 300℃)和不同应变率(10-4～103s-1)的 关系进行了研究。修正了Johnson Cook模型中的应变率强化系数C,确定了45号钢的本构关系。金相观察表明,与应变率强化相比,较高的环境温度使硬化速率降低,且占主要因素,其结果使材料的强度降低。透射电镜分析表明,高应变率在使位错运动的能量提高的同时,增加了位错在晶界处的阻力,而较高的环境温度则为位错提供了较多的滑移面和滑移方向,其结果是使材料更容易压缩。     

微缺陷对圆管膨胀断裂的影响

通过理论和数值模拟分析了缺陷方向和位置对圆管膨胀破裂的影响,采用微缺陷研究方法进行了新的解释。采用含微缺陷的圆管模型探讨了微缺陷对圆管膨胀断裂影响,表明微缺陷将加速圆管径向扩展和剪切扩展相互贯通的过程。分析了实验获得的膨胀断裂应变与作为材料基本参数提供给计算程序的断裂（失效）应变的关系,说明在考虑圆管沿壁厚的破裂过程中,两者不是同一概念,只有将实验获得的断裂应变经过一定的推导后才能作为材料基本参数用于程序计算。     

爆轰波对碰驱动下金属圆管膨胀变形特性研究

采用高速分幅摄影和激光速度干涉仪（velocity interferometer system for any reflector, VISAR）联合测试技术,对HR-2钢管在爆轰波对碰驱动下的膨胀变形特性进行了研究。实验得到了圆管膨胀变形的过程图像以及圆管特定部位径向膨胀的位移-时间曲线和速度-时间曲线。采用LSDYNA-3D程序对HR-2钢管的膨胀变形过程进行了数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。     

脆性材料动态强度应变率效应

通过求解波动方程,结合有限结构-时间破坏准则,得到了动态载荷下脆性材料单轴拉伸强度应变 率效应的解析表达式。分析结果表明:材料动态强度的应变率效应具有明显的结构响应特征,即材料动态强 度除与应变率和静态参数相关外,还显著地依赖于外载荷结构及其与材料间的相互作用,因而动态强度不是 表征材料动态破坏的内禀材料性质;此外,由于在不同的外载荷条件下材料将表现出不同的动态强度,这是导 致实验结果离散性大的内在因素。     

45钢的J-C损伤失效参量研究

为了在结构碰撞效应的有限元分析中描述材料行为,通过开展45钢在不同应力状态和温度下的准静态材料力学性能实验及拉伸SHB实验,考察了应力状态三轴度、温度和应变率对材料失效应变的影响。由实验数据得到了Johnson-Cook失效模型参量,并通过出现失效的Taylor撞击实验和数值模拟进行了一定的验证,表明模型描述与实验结果的趋势一致。     

45钢动态塑性本构参量与验证

运用静态实验机和SHPB装置,对45钢在常温～750C、应变率为10-4～103 s-1下的力学行为进行了研究,拟合得到了Johnson-Cook本构模型参量。开展了Taylor圆柱撞击的火炮实验,运用LS-DYNA进行了相应的数值模拟,通过二者的比较对本构模型参量进行了验证,表明所得模型参量可以较好地描述材料在高速变形下的大应变力学行为。