不同加载状态下TA2钛合金绝热剪切破坏响应特性

一般认为绝热剪切现象在宏观上表现为材料动态本构失稳,即热软化大于应变硬化.本文采用帽型受迫剪切试样研究TA2钛合金的动态力学特性和本构失稳过程.首先对剪切区加载应力状态进行理论和数值分析,通过合理设计帽型试样,剪切区变形可近似按剪切状态处理;结合二维数字图像相关法(two-dimensional digital image correlation,DIC-2D)直接测试试样剪切区应变演化,给出帽型受迫剪切实验的等效应力-应变响应曲线.进一步,利用Hopkinson压杆对TA2钛合金开展动态压缩及帽型剪切对比试验研究,比较压缩、剪切试验得到的等效应力-应变曲线,采用"冻结"试样方法分析试样中绝热剪切局域化演化过程,探讨不同加载状态下TA2钛合金的绝热剪切破坏现象及其动态力学响应特性.实验结果表明,在塑性变形初始阶段,动态压缩及剪切加载下的等效应力-应变曲线符合较好,但随塑性损伤发展及绝热剪切带形成,两者出现分离,表明损伤及绝热剪切演化过程与应力状态相关.剪切试样实验得到的本构"软化"特性能够反映绝热剪切带起始、破坏演化过程的力学响应特性,而在动态压缩实验中,即使试样中已出现双锥形的绝热剪切带及局部裂纹分布,其表观等效应力-应变曲线并不出现软化特征,动态压缩实验无法得到关于绝热剪切起始、发展以及破坏的本构软化响应特性.     

α-钛合金TA6的动态力学性能和剪切现象分析

诸多文献已经报道了β和(α β)钛合金冲击和爆炸加载下的绝热剪切现象,本文利用分离式的Hopkinson压杆和反射式Hopkinson拉杆对α-钛合金TA6的动态力学性能进行研究,得到不同应变率下材料的应力-应变曲线,发现钛合金TA6和其他钛合金一样也是一种应变率敏感材料。冲击拉伸加载时破坏形状45度剪切断口,然而其在冲击压缩应力作用下体现为典型的韧性,并未出现其它类型钛合金通常会出现的绝热剪切破坏。进一步分析表明:α-钛合金TA6不同于β和(α β)的钛合金,α-钛合金TA6相对于β和(α β)的钛合金是一种绝热剪切不敏感的材料。同时也利用应力状态的柔韧系数的概念对拉伸时45度的剪切断口解释。     

Ta2钛合金绝热剪切失稳起始温度研究

利用分离式霍普金森压杆加载TA2钛合金扁平帽型试样,结合高速红外测温与金相观察,分析动态加载下帽型试样受迫剪切力学响应以及绝热剪切带温度演化,确定绝热剪切带起始温度,并讨论绝热剪切失稳起始条件。结果显示,绝热剪切带起始温度约为470K,明显低于再结晶温度,以温度470K作为起始条件,对应剪切应力时程曲线起始时刻,并非剪切应力最大值,而是应力软化至504MPa,即发生应力“塌陷”处,应力下降8.86%,塑性应变继续发展     

帽型试样动态绝热剪切破坏演化分析

利用分离式霍普金森压杆加载Ta2钛合金扁平闭合帽形受迫剪切试样,结合数字图像相关法和"冻结"试样的微观金相观察,研究剪切区剪切应变的演化、绝热剪切带形成条件等.结果显示:受迫剪切试样在动态加载过程,剪切区剪切应变不断集中,形成绝热剪切带,裂纹沿绝热剪切带发展;随加载率提高,绝热剪切起始临界应变减小;进一步利用数字图像相关法DIC场应变分析及金相微观观测对比,利用卸载回复特性对绝热剪切带起始临界条件进行了讨论,计算的绝热剪切带起始时温升仅为86℃.材料软化可能不是绝热剪切带起始的控制条件,相反是由于绝热剪切带形成造成的应变高度集中发展导致温度急剧升高.     

钛合金在低温下的高速变形特性和绝热剪切

采用SHPB技术在室温和低温下,对相钛合金TB-2的高速变形特性和绝热剪切进行了宏观和微观研究。结果表明,TB-2是一个对应变率和温度敏感的材料,其热粘塑性本构特性可表为 =(0+E1（1+gln/0）（1-（T-Tn） /Tn）显微观察表明,TB2在低温下比在常温下对绝热剪切更敏感。低温下绝热剪切带的形态和结构也和常温下有所不同。把文献[9]所建议的绝热剪切的热粘塑性失稳准则,应用到不同的环境温度下,本文建议了一个既依赖于应变和应变率,又依赖于环境温度的三变量准则。理论预示和试验结果符合较好。     

钛合金在低温下的高速变形特性和绝热剪切

采用SHPB技术在室温和低温下,对相钛合金TB-2的高速变形特性和绝热剪切进行了宏观和微观研究。结果表明,TB-2是一个对应变率和温度敏感的材料,其热粘塑性本构特性可表为 =(0+E1（1+gln/0）（1-（T-Tn） /Tn）显微观察表明,TB2在低温下比在常温下对绝热剪切更敏感。低温下绝热剪切带的形态和结构也和常温下有所不同。把文献[9]所建议的绝热剪切的热粘塑性失稳准则,应用到不同的环境温度下,本文建议了一个既依赖于应变和应变率,又依赖于环境温度的三变量准则。理论预示和试验结果符合较好。     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为。计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型。钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson Cook模型。为了得到不同尺度的变形信息 ,计算中用了两种网格 ;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌 ;接着 ,用细密网格 (在变形局部化区域 ,网格尺寸达到 10 m)分析绝热剪切带的形成和发展。有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致。计算结果表明 ,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关。     

高锰钢帽型样品在高速冲击下的剪切行为

绝热剪切带是材料在高速变形时一种典型的破坏形式,为了更好地理解高速冲击过程中绝热剪切带的形成和扩展,基于Johnson-Cook本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件对高锰钢帽型样品高速冲击过程的剪切行为进行了二维数值模拟。结果表明:横穿剪切带方向,应力应变分布都是剪切带中心最高,然后向两边逐渐降低,类似于高斯分布; 平行于剪切带方向,应力应变分布则是呈两端高中间低的特点。然后利用模拟的应力应变场分布确定了剪切带和裂纹形成及扩展方向,即从剪切区两端形成并向中间扩展;最后通过编辑软件的k文件直接得到了剪切带内部及周围形变影响区和基体的温度分布,其和应力应变场分布规律一致,结果与实验结果基本吻合。     

高应变率下钛合金Ti-6Al-4V的热-粘塑性特性和绝热剪切变形

本文用SHPB 试验技术和金相观察相结合的方法研究了高应变率下钛合金 Ti6-6 Al-4 V的热-粘塑性本构关系和绝热剪切变形。发现用基于双曲型势垒热激活机制的热-粘塑性本构方程（1+（-s）0）-1=1-a0Tln（ep/es）能够很好地表述其应力、应变、应变率和温度间的关系。理论分析和试验还表明Ti-6Al-4V在室温下的绝热剪切临界条件是既与应变有关也与应变率有关的双变量准则,这和前人提出的各种单变量准则是有所区别的。     

预扭转钨合金杆弹侵彻能力的细观研究

对预扭转和未扭转钨合金杆弹弹道实验后的残余弹体和碎片进行了细观金相分析 ,发现钨合金预扭转后钨晶粒变形方向与最大剪应力方向接近 ,因此在弹靶冲击过程中有利于绝热剪切变形和剪切破坏的发生。钨弹残余弹头上观察到的绝热剪切带说明 ,预扭转弹在侵彻过程中要比未扭转弹更易于自锐 ,这是预扭转杆弹侵彻能力得到提高的根本原因。     

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模拟

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为.计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型.钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson-Cook模型.为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到10μm)分析绝热剪切带的形成和发展.有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致.计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关.     

长杆弹对钛合金靶的冲塞实验研究

对长杆钢弹撞击钛合金靶的绝热剪切冲塞进行了实验研究。观测了初始弹速、弹长和靶厚对于绝热剪切冲塞、靶板塑性弯曲动态响应、弹头局部塑性变形和穿靶后弹体（塞子）剩余速度等的影响。将实验结果与基干热粘塑性双参量失稳理论的绝热剪切冲塞过程的二维数值模拟预示结果进行了比较，两者令人满意地符合，表明在绝热剪切冲塞过程研究中考虑应变率和应变相关的绝热剪切破坏准则以及弹靶耦合效应的重要性。     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

高速切削过程中诱发绝热剪切带形成的热塑性剪切波

提出了高速切削过程中诱发绝热剪切带形成的热塑性剪切波的传播机理,针对锯齿形切屑中热望性区域内的塑性梯度变形特征、动量和能量耗散情况,建立了与切削条件相关的热塑性剪切波的传播模型及剪切带宽度模型.在此基础上,通过淬硬45钢的切削实验并结合改进的Johnson-Cook本构模型分析了热塑性剪切波的传播规律,并将剪切带宽度模型与已提出的DB模型、WR模型和DM模型做了对比,结果表明,由热塑性剪切波传播理论推导的剪切带宽度模型与实验结果较其他模型吻合较好.     

粉末烧结钨合金材料的绝热剪切研究

在分离式霍普金森压杆装置上对斜圆柱粉末烧结钨合金试件进行了冲击实验,由于斜圆柱结构中剪切分量在冲击压缩中的持续作用,实验中观察到了宏观破断现象。利用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对试件断面和试件的纵截面进行了分析,观察到了贯通钨颗粒的绝热剪切带这一变形局部化现象。对粉末烧结钨合金绝热剪切破坏机制进行了分析。     

纵向冲击压缩下LY12铝合金圆环的塑性失稳

通过对铝合金圆环的纵向冲击压缩研究发现,一定条件下在试件的宏观塑性硬化阶段会出现明显的应力降过程。为揭示此应力降的发生机制,对润滑、细磨、粗磨3种端面粗糙条件下,外径、内径和高度比值为6:3:2的LY12铝合金圆环进行系统的Hopkinson压杆纵向冲击实验。结果表明:应力降主要发生在较大的应变和较高的应变率条件。进一步对实验样品的金相观察发现:应力降产生的内在机制为绝热剪切带的形成和发展,此现象是一种动态塑性失稳的过程。以上结果为金属材料在冲击条件下绝热剪切带产生的研究提供了参考。     

高密度合金W-Ni-Mn的绝热剪切破坏研究

应用分离式霍普金森压杆对90W-Ni-Mn合金的圆柱体试样进行了动态压缩实验,并对试样的剖面和断面进行了扫描电镜观察,结合试样的真实应力-应变曲线,发现合金在真实应变为约45％时出现明显的绝热剪切现象,随着冲击力的进一步增加,试样发生剪切断裂。可见90W-Ni-Mn合金较传统钨合金更易出现剪切带,具有更高的绝热剪切敏感性。     

双相高强钢FeNiAlC的动态剪切行为及微结构机理

绝热剪切带是金属材料在高应变率载荷下常见的一种失效模式。利用霍普金森压杆装置,对双相钢Fe-24.86Ni-5.8Al-0.38C不同微结构的帽形样品施加冲击载荷,研究它的动态剪切变形行为及微结构机理。先通过对固熔处理得到的粗晶态样品进行大应变冷轧获得冷轧态样品,再使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征两种样品冲击前后微结构的变化差异。结果表明,双相钢FeNiAlC拥有较优异的动态剪切性能,剪切强度达1.3 GPa,均匀剪切应变达1.5。变形前,材料由奥氏体相和马氏体相构成,马氏体体积分数约为20%。变形过程由位错滑移和孪生变形主导,但因应变速率较高致使马氏体相变被抑制。不同微结构样品内均形成绝热剪切带,带内发生动态再结晶,形成超细晶粒,平均晶粒尺寸约300 nm,且剪切带内不发生相变;冷轧态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值(12.3 μm)较好吻合,而粗晶态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值（30 μm）相差甚远,初步分析可能是因为粗晶态样品应变较大基本不满足完全绝热的理论条件。在变形过程中,粗晶态因塑性变形做功产生的绝热温升高达720 K,而冷轧态的只有190 K。通过实验结果与热塑模型分析,得出绝热温升不是形成绝热剪切带的唯一因素,而应考虑材料的微观结构和局部化变形等的共同影响。     

平头弹冲塞靶板的绝热剪切数值模拟

针对绝热剪切形成时由于变形高度局域化,塑性功产生的热导致局部高温,有时会伴随动态再结晶(DRX)的现象,采用一种考虑动态再结晶过程的绝热剪切破坏准则,利用有限元方法模拟了Arne工具钢平头弹冲塞Weldox 460 E钢靶板的实验.数值模拟揭示了剪切带产生、传播的过程,温度分布情况表明在绝热剪切带中具备动态再结晶形成的...     

TC4钛合金自然破片的引燃机理分析

对两种热处理条件不同的ＴＣ４钛合金圆筒在内部爆轰加载下的自然破片形成过程作了研究，并对破片的宏观断裂特征和细观断裂机理进行了分析。研究结果表明，一些引燃战斗部采用钛合金壳体的根本原因在于利用壳体破裂时形成的高温绝热剪切带和钛元素本身在高温下的剧烈氧化性。