爆炸焊接驻点近区应变率分布规律计算

为了认识爆炸焊接驻点近区材料的力学和热学行为 ,分析波状界面和绝热剪切带生成 ,采用理想流体对称碰撞模型沿流线研究了驻点近区的应变率分布规律 ,并推导出了驻点应变率的理论计算公式。通过数值与理论计算对爆炸焊接碰撞角、界面距离等因素对应变率的影响进行了讨论。计算结果表明 ,爆炸焊接中强烈变形集中在驻点附近区域 ,其应变率高达 10 6～ 10 7s-1,拉压应变率的绝对值在驻点处达到最大 ;而剪应变在焊接界面上为零 ,其最大值出现在驻点的前方 ,为拉压应变率的约二倍。     

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.     

椭圆封头圆柱形爆炸容器动力响应的数值模拟

采用显示非线性动力有限元软件LS-DYNA,在不同TNT当量下对椭圆封头圆柱形爆炸容器进行了数值模拟。模拟结果表明:对椭圆封头与圆筒组合而成的理想结构,爆心环面的应变在初始响应阶段就达到了最大值,并且其值大于筒体上其他点的最大应变;实际结构中法兰对爆炸容器的动力响应有很大的影响,当法兰的质量超过一定值之后,容器爆心环面会产生应变增长现象。在容器的设计工作中要加强容器的爆心环面并适当地选择法兰。     

绝热剪切研究进展

从实验技术、分析手段和数值模拟技术等三方面对近年来绝热剪切研究相关的工作成果进行了总结和评述,指出了现有工作的不足,即:尚不明了绝热剪切带内微观组织演化规律及尚未建立相应的力学模型;绝热剪切带的静水压相关性仍有待进一步探索;描述绝热剪切的自组织行为的模型需进一步完善;绝热剪切数值模拟精度有待提高等。最后,结合国内外最新的研究动态对绝热剪切研究的发展趋势提出了自己的观点。     

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...     

密闭空间内不同炸药爆源的能量输出结构及与目标作用研究

对钝化黑索今（RDX）、含铝炸药（RDX/Al）、一次引爆型燃料空气炸药（SEFAE）在爆炸容器和爆炸水池中爆炸波的能量输出结构进行了实验研究。用TVD格式数值模拟了带平板封头爆炸容器的内部爆炸载荷的分布规律。并对在不同爆炸载荷作用下,容器典型位置的应变进行了测量。结果表明:（1）密闭空间内,RDX/Al（90/10）和SEFAE体系具有后燃效应;（2）在本实验条件下,平板封头与罐体结合处的载荷最大;（3）SEFAE产生的爆炸载荷对容器的作用最小,钝化RDX和RDX/Al（90/10）两者相当。3种炸药产生应变的频谱相似,强度略有差别;（4）在本实验的条件下,爆炸载荷的结构不是应变增长的主要原因。     

爆炸金属管的绝热剪切断裂宏观研究

本文介绍了45号钢、TC4钛合金及WTG05钨合金三种金属管在内部爆炸载荷下的宏观剪切断裂行为,并对此作了一些初浅的分析,提到了实验中发现的钛合金的一种反常单向性剪切起裂现象,同时发现该钨合金在爆炸应变率下表现为脆性断裂。     

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。     

球形爆炸容器应变增长现象的极限情况

应变增长现象威胁容器安全,研究应变增长现象的极限情况对爆炸容器的安全应用非常重要。本文中开展了球形容器爆炸加载实验,获得了应变增长系数达到6.1的应变数据,并利用数值模拟分析球壳弹性变形范围内振动模态叠加形成的应变增长现象的极限情况。研究表明:(1)应变增长现象符合几何相似律,影响应变增长的因素包括扰动源类型、扰动源半径与球壳半径之比、球壳厚度与球壳半径之比、第一个应变峰等,其中扰动源参数是主要影响因素。(2)当扰动源位移被完全约束、扰动源半径等于球壳半径时,球壳上可能的应变增长系数接近12。     

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。     

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。     

A NOVEL APPROACH TO TESTING THE DYNAMIC SHEAR RESPONSE OF Ti-6Al-4V

Modifications were made on the traditional split Hopkinson pressure bar (SHPB) system to conduct dynamic shear tests. The shear response of Ti-6Al-4V was acquired at a shear strain rate of 10 4 s 1 by using this modified apparatus. The geometry as well as the clamping mode of the double-notch specimen was optimized by commercial FEM software ABAQUS, and the feasibility of the experiment set-up was validated. A shear stress calibration coefficient of τ = 1.03 and a shear strain calibration coefficient of Γ = 0.50 were obtained.We have employed high-speed photography to record the deformation process, especially the initiation and propagation of adiabatic shear band (ASB), during the dynamic shear test. The frames show that the time duration from ASB initiation to its completion is less than 2 μs, from which we can estimate that the propagation speed of ASB within Ti-6Al-4V is more than 1250 m/s under such loading conditions. The temperature rise within ASB is also estimated to be T 2 ≈ 1460℃ based on energy balance. Such high temperature has led to softening of the material within the ASBs, and has intensified the shear localization and finally resulted in fracture of the material.     

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。     

试样形状对轴承钢绝热剪切带微观组织的影响

绝热剪切带(ASB)的微观组织受试样几何形状的影响。对圆柱、帽形和剪切压缩型三种不同形状的试样进行分离式霍普金森压杆高速冲击试验,研究试样形状对轴承钢绝热剪切带的形成和微观组织的影响。结果表明,在应变率为1 800～3 100 s^-1的范围内,材料对应变率的敏感性很低。圆柱试样呈现明显的应变硬化,而帽形试样和剪切压缩型试样(SCS)在不同应变率下分别出现应变硬化和无应变硬化的特征,但流变应力并未因应变硬化而提高。试样形状对ASB的微观形貌和组织有很大影响。圆柱试样上产生了窄且细长的ASB,只发生了应变诱发的晶粒细化,属于形变ASB;帽形试样和SCS则形成大片状的ASB,由等轴晶组成,且发生了体心立方体(BCC)马氏体转变为面心立方体(FCC)奥氏体的相变,属于相变ASB。尤其是SCS中ASB的等轴晶,有非常清晰的晶界,是典型的动态再结晶晶粒。温升计算结果显示,圆柱试样ASB的温升远低于奥氏体相变温度,而帽形试样和SCS的温升高于马氏体的熔点,导致局部熔融。     

Adiabatic shear banding in plane strain tensile deformations of 11 thermoelastoviscoplastic materials with finite thermal wave speed

We study the initiation and propagation of adiabatic shear bands (ASBs) in 11 homogeneous materials each modeled as microporous, isotropic and thermoelastoviscoplastic, and deformed in plane strain tension. The heat conduction in each material is assumed to be governed by a hyperbolic heat equation; thus thermal and mechanical waves propagate with finite speeds. The decrease in the thermophysical parameters due to the increase in porosity is considered. An ASB is assumed to initiate at a material point when the maximum shear stress there has dropped to 80% of its peak value for that material point and it is deforming plastically. An approximate solution of the coupled nonlinear partial differential equations subject to suitable initial and boundary conditions is found by the finite element method (FEM). In contrast to the Considerè and the Hart criterion, it is found that an ASB initiates when the axial load drops rapidly and not when it peaks. The refinement of the 40 × 40 uniform FE mesh to 120 × 120 uniform elements decreased the ASB initiation time by 2.1% while increasing the CPU time by a factor of ∼26. By locating points where the ASB has initiated we find its current length, width and speed. The 11 materials are ranked according to the time of initiation of an ASB under otherwise identical geometric and loading conditions with the same initial nonuniform porosity distribution. This ranking of materials is found to differ somewhat from that ascertained by Batra and Kim (1992) who studied simple shearing deformations, and by Batra et al. (1995) who analyzed three-dimensional torsional deformations of thin-walled tubular specimens. The average axial strain determined from the maximum axial load condition differs noticeably from that when an ASB initiates.     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

Experiments and modeling of ballistic penetration using an energy failure criterion

One of the most intricate problems in terminal ballistics is the physics underlying penetration and perforation. Several penetration modes are well identified, such as petalling, plugging, spall failure and fragmentation (Sedgwick, 1968). In most cases, the final target failure will combine those modes. Some of the failure modes can be due to brittle material behavior, but penetration of ductile targets by blunt projectiles, involving plugging in particular, is caused by excessive localized plasticity, with emphasis on adiabatic shear banding (ASB).Among the theories regarding the onset of ASB, new evidence was recently brought by Rittel et al. (2006), according to whom shear bands initiate as a result of dynamic recrystallization (DRX), a local softening mechanism driven by the stored energy of cold work. As such, ASB formation results from microstructural transformations, rather than from thermal softening. In our previous work (Dolinski et al., 2010), a failure criterion based on plastic strain energy density was presented and applied to model four different classical examples of dynamic failure involving ASB formation. According to this criterion, a material point starts to fail when the total plastic strain energy density reaches a critical value. Thereafter, the strength of the element decreases gradually to zero to mimic the actual material mechanical behavior.The goal of this paper is to present a new combined experimental–numerical study of ballistic penetration and perforation, using the above-mentioned failure criterion. Careful experiments are carried out using a single combination of AISI 4340 FSP projectiles and 25[mm] thick RHA steel plates, while the impact velocity, and hence the imparted damage, are systematically varied. We show that our failure model, which includes only one adjustable parameter in this present work, can faithfully reproduce each of the experiments without any further adjustment.Moreover, it is shown that the most common failure criterion based on a critical strain is simply inadequate to reproduce the results, due to the linear nature of the damage evolution. The advantages of the energy-based failure criterion are discussed in detail.     

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。     

TC4在动态载荷下的剪切行为研究

使用分离式霍布金森压杆(SHPB)对2种TC4(Ti-6Al-4V)试样(单边剪切试样与双边剪切试样)在应变率104 s-1下进行动态剪切加载，利用SIM D8高速照相系统捕捉了绝热剪切带扩展的整个历程，得到了TC4在拍照时刻的应力应变曲线；使用金相显微镜和SEM扫描电镜对TC4绝热剪切带的微观形貌进行观察，发现绝热剪切带宽度为5~12 μm，断口从韧窝断裂演变为解理断裂，可观测到韧窝状与河流花样断口形貌，但是并未看到相变的发生；对2种试样就产生绝热剪切带的形式与敏感性进行了分析，实验表明双边试样更易产生绝热剪切带；通过高速照相系统的标定换算，得到TC4绝热剪切带产生的临界剪切应变在78%~88%之间。在SHPB动态加载条件下，TC4绝热剪切带的扩展速度在460~1 250 m/s之间，且应变率越高，剪切带扩展越快，扩展平均速度与名义应变率近似呈线性关系；另外，在同一加载速率下，剪切带并不是匀速扩展，其扩展速度随载荷的增加而不断增加。