泡沫铝在SHPB高温动态下的变形过程研究

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置研究轻质泡沫铝在动态压缩下的温度相关性,重点设计了一种基于SHPB的可视化高温炉,在此基础上通过高速摄影观测泡沫铝试件在高低温且动态压缩下的变形过程。动态加载下的实验结果表明：常温下,胞壁在变形过程中易于观察到屈曲失稳、撕裂、弯曲等现象,且在压缩的过程中碎片飞溅;高温下材料软化较明显,呈现出更多的塑性弯曲现象,但是屈曲失稳与撕裂的现象并不显著,变形过程中并无碎片产生。     

轴向尺寸对泡沫铝动静态力学性能的影响

通过材料密度均匀性分析得知,泡沫材料密度分布的均匀性越差,尺寸的影响越明显,对于密度分布区间小、并符合正态分布的试件,尺寸的影响较小。根据Hopkinson杆动态测试的应力均匀性假定,利用石英片监测试件左右端面达到应力均匀所需的时间,试件轴向尺寸越大,惯性效应的影响也越大。选择合适的尺寸,将试件的惯性效应(波动效应)与应变率效应解耦,结果表明,泡沫材料具有一定的应变率效应     

不同应变率下泡沫铝的形变和力学性能

对低密度泡沫铝在不同变形率下的形变和力学性能进行了系统的试验研究。结果表明:（1）沿剪切方向骨架首先塌陷,即变形的局部化是低应变率下块体泡沫铝的主要变形特征;（2）在不同应变率下泡沫铝表现出体积应变基本上随工程应变呈线性变化,在低应变率下泊松比随轴向应变呈幂次关系增加,但在高应变率下泊松比随塑性应变增加,从一峰值降低并趋于稳定;（3）低应变率下泡沫铝材料塑性变形均匀,而高应变率下剪切变形较大;（4）泡沫铝材料的强度对应变率不很明显,但随塑性应变增加,它的率敏感性增加。     

不同冲击速度下泡沫铝变形和应力的不均匀性

利用常规Hopkinson杆实验装置和改进的Hopkinson杆实验装置对泡沫铝试件进行冲击压缩实验,同时用高速摄影装置对实验过程进行全程跟踪拍摄。通过改变冲击速度,观测到了3种不同的变形模式。将得到的高速摄影图像用数字图像相关方法进行分析,讨论了3种模式下全场应变不同的发展过程,并依此讨论应力的不均匀性,为研究不同冲击速度下变形不均匀对泡沫铝动态力学行为的影响提供了新的方法。     

通孔泡沫铝的动态压缩行为

在SHPB装置上对渗流法制备的通孔泡沫铝进行了动态压缩实验,研究了相对密度为0.341~0.419的通孔泡沫铝在10-3~2000 s-1应变率范围内的压缩响应特征和应变率相关性,并用扫描电镜（scanning electron microscope,SEM)分析了泡沫铝的压缩变形特征。实验结果表明,通孔泡沫铝有明显应变率效应,随应变率上升,泡沫铝流动应力提高。SEM观察结果揭示,在动态压缩下,通孔泡沫铝宏观上均匀变形,微观变形机制以泡孔横向伸展坍塌为主。     

确定材料在高温高应变率下动态性能的Hopkinson杆系统

描述了一种利用Hopkinson杆装置确定在高温（温度可高达1 173 K）、高应变率下材料动态性能的试验方法。在试样加温过程中,试样不与入射杆及透射杆接触。当试样加热到预定温度时,气压驱动同步组装系统,推动透射杆及试样,使得应力波到达入射杆与试样接触面时,入射杆、试样及透射杆紧密接触。利用以上系统,完成了连铸单晶铜及上引法连铸多晶铜从室温到1 085 K范围内的应力应变曲线。测试结果表明,不论是上引法连铸多晶铜还是连铸单晶铜,流动应力随温度的升高而下降,在温度低于585 K时,材料的应变硬化率明显大于在温度高于585 K时的应变硬化率。     

闭孔泡沫铝的高温局部压入力学响应

通过不同形状(平头和半球头)的压头在不同温度下对闭孔泡沫铝材料进行塑性压入实验,研究不同温度下闭孔泡沫铝的压入变形模式及载荷响应特性。并基于闭孔泡沫铝在高温下的准静态塑性压入载荷响应的实验结果,结合多种分析方法,(如量纲分析和有限元计算等),探索既考虑温度影响也包含压入深度影响的预测闭孔泡沫铝平头和半球头压入力学响应的经验公式。结果表明,本文得到的两种压头情况下的经验公式都能够较好地预测闭孔泡沫铝在不同温度下的压入力学响应。

     

采用改进的SHPB方法对泡沫铝动态力学性能的研究

本文改进了传统的分离式霍布金森压杆(SHPB)技术，采用夹在透射杆中的PVDF压电计直接测量透射杆中的应力时程．同时，采用输入波形整形技术，通过调整加载波形，使试样加载过程中保证均匀变形及应力平衡．利用此改进了的SHPB技术对泡沫铝进行了高应变率下的动态压缩实验．实验结果表明：泡沫铝的动态应力应变曲线具有泡沫材料的应力应变曲线的“三阶段”特征(elastic region，collapse region and densification region)，并且应变率对其力学性能影响明显．     

泡沫铝材料动态本构参数的实验确定

基于泡沫材料的动态刚性-线性硬化塑性-刚性卸载(D-R-LHP-R)模型,结合连续性方程,动量守恒方程及刚体的运动方程,得到了激波在泡沫材料中的量纲一消失位置X_s/L₀和动态屈服应力Y_i、激波波速c_p、冲击初始应变ε_i之间的如下关系式: $\frac{X_{\mathrm{s}}}{L_{0}}=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}} v_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(1-\frac{\sigma_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}}^{2} \varepsilon_{\mathrm{i}}}{Y}\right)$ 采用Taylor-Hopkinson装置进行实验,当直接测得泡沫铝试样密度ρ₀、边界初始应力σ_i、初始打击速度v_i、泡沫铝杆原长L₀及激波在泡沫铝杆中消失长度X_s后,利用方程式(a)可反演求得D-R-LHP-R模型下的泡沫铝动态应力应变曲线。最后通过与泡沫铝准静态实验数据对比,表明该泡沫铝是应变率敏感性材料。     

冲击条件下泡沫铝的细观变形特征分析

利用SHPB-高速摄影机系统,拍摄到了泡沫铝细观结构在SHPB冲击过程中的变形,分析了试件 的应变分布及破坏模式。研究表明,泡沫铝试件在SHPB冲击过程中应变分布是不均匀的,试件两端的应变 和应变率远大于中间部分的应变和应变率,即在SHPB实验过程中泡沫铝试件不能严格满足均匀性变形假 定。因此,需要考虑对用SHPB方法测量泡沫金属动态力学性能方法进行必要的修正。     

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。     

较低应变率大应变条件下聚氨脂泡沫材料的态力学性能实验

利用加长型分离式霍普金森压杆(入射杆长6000mm、子弹长800mm)研究聚氨脂泡沫材料在较 低应变率大应变条件一维应力状态下的动态力学性能,获得了约550s的长加载脉冲,得到了该材料在应变 率520s-1、应变0.15条件下的应力应变曲线,对较低应变率条件下,应变率与动态应力平衡之间的关联进行 了讨论。     

泡沫金属材料的孔径效应

在分离式霍普金森压杆(SHPB)和MTS810材料试验机上分别对泡沫纯铝材料和铝硅合金泡沫材料进行了动态与准静态压缩实验研究。实验结果表明:孔径的大小对泡沫铝的弹性变形包括弹性模量没有影响,但对泡沫铝的屈服强度和塑性硬化模量有影响,且这种影响主要取决于泡沫铝基体材料的韧脆特性,泡沫铝的相对密度也会影响这种孔径效应。     

几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究

利用直拉式Hopkinson装置研究了碳纤维、无碱E玻璃纤维、Kevlar 4 9/96 4 /96 4c、Twaron2 0 0 0、DyneemaSk6 6等纤维的动态拉伸性能。与准静态加载条件下相比 ,纤维束的拉伸强度基本与应变速率无关(玻璃纤维除外 ) ,而纤维束的弹性模量和失效应变随应变率的升高而明显变大。从高分子物理以及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加载速率的关系进行了初步的物理阐释。讨论了实验数据的发散原因。     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。