高纯铜初始层裂的微损伤特性研究

本文对平面冲击加载下高纯铜初始层裂的微损伤特性进行了研究. 利用准三维的表面轮廓测试技术, 对冲击加载“软回收”的样品截面进行测试. 通过对测试数据的重构、量化和统计分析, 结果表明: 拉伸应力持续时间和加载应力幅值的增加, 都会加剧样品内部损伤局域化程度. 样品内损伤区域宽度是亚微米尺度的损伤演化的结果, 并且亚微米尺度的演化速率随着拉伸应变率的增加而单调递增. 通过统计获得了样品内微损伤的尺寸分布特征, 并分析了其与损伤演化进程的关联.     

高纯铝层裂的自由面速度剖面特征分析

 采用任意反射面激光干涉测速（VISAR）系统,对高纯铝（纯度为99.999%）材料开展了层裂实验研究,获得了未完全层裂和完全层裂样品的自由面速度剖面。基于实验测量中观察到的层裂回跳（Pullback）信号的脉冲宽度、速度幅值差异以及回跳信号上升过程中的两次速度斜率变化特征,详细讨论了高纯铝材料从出现损伤到完全断裂的过程中波剖面演化的行为特征。结合“软回收”样品的细观分析,指出这些自由面速度变化特征可能与材料中应力波的能量释放速率以及材料中晶粒的断裂行为密切相关。研究结果可以为延性金属损伤断裂的演化过程提供有意义的认识。     

关于自由面速度剖面解读层裂问题的几点商榷

 基于对层裂问题的理解和相关文献,就自由面速度剖面解读层裂问题的局限性提出了一些看法。指出：自由面速度剖面测量给出的层裂破坏过程是间接信息,而不是直接信息,用它确定的理论模型和数值模拟参数,也许并没有真实地反映层裂过程的物理本质;层裂强度常被人们用来表征材料在高应变率下的抗拉伸能力,但是在目前的层裂强度计算公式中没有考虑损伤介质对波剖面传播的影响,使得计算结果明显偏低;传统的单点测量得到的结果有很大的局限性,对于层裂问题,采用概率评估或者置信度评估,也许更符合真实情况。建议：为了全面真实地评价层裂问题中的物理、力学过程,应该加快发展更多的实验探测和诊断技术,尤其是对内部损伤状态的观测。     

不同晶粒度高纯铜层裂损伤演化的有限元模拟

采用Voronoi方法构建了50, 130和200μm三种晶粒度的高纯铜靶板,在晶界处随机预制损伤成核点,建立了平板撞击高纯铜靶板的二维轴对称计算模型,研究了晶粒度和加载应力对高纯铜层裂宏观力学响应和细观损伤演化的影响.基于自由面速度剖面特征分析,揭示了晶粒度和加载应力幅值对Pull-back速度回跳点位置、速度回跳斜率及回跳幅值的影响规律,论证了层裂强度与损伤区拉伸应力峰值相对应本质上表征微损伤早期长大临界应力;基于损伤演化云图特征分析,讨论了长大和聚集过程中微孔洞周围局域化塑性应变场的演变,揭示了晶粒度和加载应力对微孔洞聚集和应力松弛行为的影响.计算结果再现了层裂实验中材料内部的微孔洞长大、聚集的细观物理过程,进一步揭示其与宏观力学响应之间的内禀关系,这对认识层裂损伤演化机制和理论模型构建具有重要的意义.     

加载应力幅值对高纯铜动态损伤演化特性研究

研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.     

一维应变层裂过程中孔洞聚集行为研究

延性金属的层裂行为包含孔洞成核、长大和聚集过程,其中孔洞聚集难以通过实验方法直接观测。采用有限元分析方法,研究了延性金属层裂过程中孔洞之间的聚集行为和竞争机制,讨论了孔洞间初始韧带距离、孔洞直径和孔洞位置分布对孔洞聚集的影响。通过实时统计孔洞长大过程中直径的变化,定量分析孔洞聚集的起始时刻。计算结果显示：当初始韧带距离由20μm增加至50μm时,相同孔径孔洞间聚集的起始时间不断延长,聚集时的直径增长加速度由1.717 Gm/s²降至0.602 Gm/s²;具有不同孔径比的孔洞之间发生聚集时,小孔优先向大孔靠拢;45°分布方式的孔洞在长大阶段的直径增长加速度最大,约为3.179 Gm/s²,且最早发生聚集。计算结果显示,在三孔聚集中,初始韧带距离和孔径相同的孔洞之间几乎同时发生聚集并贯通,且孔洞间聚集的起始时间随着初始韧带距离的增加而延长,大孔向附近小孔聚集的起始时刻较迟。计算结果揭示了层裂实验中难以观察到的孔洞长大和聚集的细观物理过程,对了解材料层裂的物理过程和本质具有重要的参考价值。     

延性金属层裂自由面速度曲线物理涵义解读

对延性金属层裂自由面速度曲线上典型特征所蕴含的物理涵义进行了新的解读. 揭示了自由面速度曲线上宏观响应特征和微孔洞成核、长大和聚集的微损伤演化动力学之间的关联: Pullback信号的临界点对应于微孔洞的成核,Pullback幅值表征了损伤成核或起始的条件——成核强度; Pullback信号之后的回跳斜率代表了损伤演化速率, Pullback 信号后速度回跳幅值从一定程度上反映了损伤程度; Pullback信号之后的振荡周期模式反映了损伤的局域化状态.     

冲击载荷下金属材料的微结构-加载特性-层裂响应关系概述

鉴于冲击载荷下金属材料的变形损伤具有微结构和加载特征的依赖性,对国内外有关层裂现象的研究进展进行了简要梳理与总结。概述了晶粒尺寸、织构、晶界类型、相界和元素偏析带等结构对金属材料变形损伤的影响,重点阐述了脉冲宽度、应变率和峰值应力等加载特征对金属材料层裂强度的耦合作用,为了解冲击载荷下金属材料微结构、加载特征与变形损伤行为之间的关系提供参考。     

钽靶板在冲击下层裂过程的数值模拟

对平面冲击加载下延性金属钽的层裂行为开展了数值模拟研究。利用AUTODYN软件中的Lagrange与SPH求解模块,考察了3种本构模型Johnson-Cook、Steinberg-Cochran-Guinan与Zerilli-Armstrong的模拟结果,结合实验数据对模拟结果进行了验证;在此基础上,通过改变撞击速度与飞片厚度,获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的层裂特性。结果表明:在2.31×10⁴~5.40×10⁴s^?1应变率范围内,SPH求解器结合Steinberg-Cochran-Guinan本构模型的结果与实验数据具有较好的一致性;金属钽的层裂强度随拉伸应变率的增加而增大,在对数坐标系下近似呈线性关系;不同层裂强度计算方法得到的结果差异可达8%;随着拉伸应变率的增加,自由面速度回跳速率随之增长。最后,对自由面速度曲线中的特征参量的物理意义进行了解读。     

飞秒激光驱动超高应变率加载下铝材料的层裂特性

层裂损伤是材料动态损伤破坏研究中最重要的问题之一,其损伤特性和机制随加载应变率不同表现出明显的阶段性规律。超高应变率条件下材料层裂损伤特性、规律和机制研究已成为极端条件下材料动态响应研究的重要内容,在工程应用和基础研究领域均有重要意义。采用飞秒激光驱动冲击加载技术开展了超高应变率条件下铝材料的层裂损伤实验研究,利用啁啾频域干涉超快诊断方法对铝材料的层裂损伤过程进行了诊断,分析并获得了在109 s-1应变率条件下铝材料的层裂强度约为7 GPa,结合前人的研究数据,解读了铝材料层裂强度随应变率的变化规律。     

基于单孔洞近似的高纯铝部分层裂实验的数值模拟研究

基于单孔洞近似,对不同撞击速度下高纯铝的部分层裂实验进行了数值模拟研究,讨论了微孔洞长大对波传播的影响及其在自由面速度波剖面上的表现. 通过分析微孔洞周围的应力场变化,认识到实测自由面速度波剖面出现"回跳"特征并不能说明材料发生完全层裂,其直接原因是样品内部微孔洞长大所引起的局部卸载效应. 将计算得到的自由面速度波剖面和微孔洞相对体积与实验结果进行了对比分析,发现两者均符合很好,表明采用单孔洞增长来近似描述部分层裂样品中随机损伤发展及其对波传播的影响是可行的. 关键词： 层裂 孔洞增长 自由面速度波剖面 微孔洞相对体积     

强激光辐照下纯铝的力学响应和层裂的实验测量与分析

采用速度干涉（VISAR）测试技术,对强激光辐照下纯铝的动态力学响应和层裂特性进行了实验测量和分析。样品厚度分别为200 μm 和485 μm,激光脉冲的半高宽约为10 ns,功率密度变化范围为1010~1011 W·cm-2。实测了样品自由面速度波形,反映了强激光加载作用下材料损伤演化过程以及损伤对材料动态响应的影响。计算得到了冲击波强度(2.0~13.4 GPa) 和不同拉伸应变率下铝的层裂强度(1.6~2.3 GPa)。在所采用的实验条件和1维近似下,激光辐照产生的冲击波强度与激光功率密度之间成线性关系。最后讨论了层裂强度与拉伸应变率之间的关系,显示层裂强度随着拉伸应变率的增加而增大。     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。     

The characteristics of void distribution in spalled high purity copper cylinder under sweeping detonation

The effects of different peak compression stresses (2–5 GPa) on the spallation behaviour of high purity copper cylinder during sweeping detonation were examined by Electron Backscatter Diffraction Microscopy, Doppler Pins System and Optical Microscopy techniques. The velocity history of inner surface and the characteristics of void distributions in spalled copper cylinder were investigated. The results indicated that the spall strength of copper in these experiments was less than that revealed in previous reports concerning plate impact loading. The geometry of cylindrical copper and the obliquity of incident shock during sweeping detonation may be the main reasons. Different loading stresses seemed to be responsible for the characteristics of the resultant damage fields, and the maximum damage degree increased with increasing shock stress. Spall planes in different cross-sections of sample loaded with the same shock stress of 3.29 GPa were found, and the distance from the initiation end has little effect on the maximum damage degree (the maximum damage range from 12 to 14%), which means that the spallation behaviour was stable along the direction parallel to the detonation propagation direction under the same shock stress.     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed with the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of the plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, the elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed by using the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

动态拉伸加载下高纯铝破坏的临界行为

以高纯铝(99.999%)作为延性金属的模拟材料，在一级气体炮上开展了一维应变平面冲击波加载实验.通过对不完全层裂的回收样品进行细观微损伤统计分析，讨论了高纯铝动态破坏时发生的临界行为.文中定义拉伸应力和拉伸作用时间的乘积为拉伸(作用)冲量，统计发现：随着拉伸冲量的增加，样品中的损伤呈现明显的临界行为特征：当拉伸冲量较小时，损伤以线性方式缓慢增长，当拉伸冲量足够大，且超过一定的临界阈值以后，损伤以幂指数形式快速增长.初步实验结果表明，高纯铝的拉伸冲量临界阈值约为0.34GPa·μs，对应的损伤临界值约为0.12.