混凝土类材料SHPB实验中确定应变率的方法

由于混凝土类材料在SHPB实验中很难实现恒应变率加载,为了确定非恒应变率加载下的实验数据所对应的应变率,本文中针对不同强度(C20,C45,C70)和不同钢纤维含量(0%,0.75%,1.50%,4.50%)的混凝土进行了SHPB实验。对实验得到的30组恒应变率加载下的数据进行了分析总结,结果表明:实验数据所对应的恒应变率与全段平均应变率之间存在一定的比值关系,从而混凝土类材料SHPB实验数据所对应的应变率可以采用全段平均应变率的1.38倍来表征。通过对比非恒应变率加载和恒应变率加载下得到的应力应变曲线,验证了该确定应变率方法的合理性,并指出较短恒应变率加载下实验数据对应的应变率直接采用短平台段对应的应变率来表征是不合理的。     

921A钢纯剪切帽状试件在SHPB实验中的动态变形

应用ANSYS/LS-DYNA软件,开展了一系列基于921A钢纯剪切帽状试件的SHPB数值模拟.结合SHPB系统应力波理论,研究不同加载速率v0(或应力脉冲I(t))下,特别是高应变率(约106 s-1)下的压杆轴向应变波形以及相应的试件动态变形特性,并对高速撞击下压杆中应变波形的适用性作了相关讨论.     

2D-C/SiC复合材料应变率相关的动态本构模型

分别在电子万能实验机和SHPB（split Hopkinson press bar）实验装置上对2D-C/SiC复合材料进行了静态、动态实验,探讨了该材料在10-4~2.8103 s-1的应变率范围内的层向压缩力学性能。实验结果表明,在动态加载条件下,2D-C/SiC复合材料的应力应变呈非线性关系。随着应变率的提高,破坏强度提高、失效应变减小,弹性模量增加。弹性模量与对数应变率基本呈线性关系。提出了一个含有与应变率相关的损伤变量的动态本构方程,该方程与实验结果吻合较好。     

基于DIHPB技术的高应变率剪切测试方法

在测试材料动态力学性能时,直接撞击式霍布金森压杆（direct impact Hopkinson pressure bar,DIHPB）实验系统相对于分离式霍布金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）,往往能获得更高的应变率。本文中采用一种新型双剪切试样,在DIHPB系统下对603钢进行了动态剪切测试。获得了603钢在应变率1 500～33 000 s⁻¹的剪应力-剪应变曲线,并与SHPB系统下的测试结果进行了对比。结果表明,由两种测试方法获得的流动应力具有较好的一致性,但曲线的上升沿存在明显区别。采用数值模拟对DIHPB方法的准确性进行了验证,并对该实验方法的适用条件进行了分析。采用DIHPB方法,可以观察到603钢的流动应力存在明显的应变率效应,但在较高的加载速度下材料的失效应力随着加载速度的增加而呈降低趋势。

     

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...     

一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

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。

     

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。     

微电子封装组件热应变的云纹干涉法研究

本文提出云纹高频试件栅高温复制组件工艺,并应用于电子封装组件125℃～200℃,热应变的云纹干涉法测量,得到了封装组件表面在高温下的热膨胀系数,本云纹特点是灵敏度高,可全场测量,适用于电子封装组件热变形失效分析.     

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过10⁴ s^-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。

     

递进式凸轮加载的中等应变率实验技术

研制了一种可以实现多次加载的凸轮递进式中应变率压缩实验系统。该实验装置采用伺服电机驱动蓄能飞轮转动,后蓄能飞轮带动加载凸轮压缩加载杆的方法,实现对试样中应变率的压缩;同时在一级压缩即将结束时步进电机迅速推动蓄能飞轮贴近加载凸轮,实现多级压缩。试样的动态压缩载荷通过两侧杆上粘贴的应变片所记录的应变信号得到;试样变形过程通过激光干涉测速系统测得的试样两侧杆端的运动速度信号得到。以纸蜂窝试样为例,基于研制的中应变率实验系统,并结合高速摄影图片,研究了厚度10 mm、直径14.5 mm的纸蜂窝试样在应变率3.5 s^-1下的动态压缩力学性能,得到了单级压缩和两级压缩过程中纸蜂窝试样的应力-应变曲线和变形过程,并讨论了该实验系统的可靠性。此实验系统可以实现多级递进式中应变率加载;纸蜂窝试样在中等应变率下的峰值强度和平台应力对高应变率下的动态压缩实验数据和低应变率下的准静态实验数据进行了较好地衔接;试样的失效模式主要为准弹性变形后的外壁屈曲和面内剪切。     

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．     

高应变率下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性力学行为

采用添加造孔剂的方法制备了4种不同孔隙率的未极化PZT95/5铁电陶瓷。采用基于超高速相机与数字图像相关性方法的试样全场应变测量技术以及分离式霍普金森压杆（SHPB）技术,对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷进行高应变率单轴压缩实验研究。全场应变测量结果显示:轴向应变仅在试样中部分布较均匀,将该区域的平均应变作为应力-应变关系中的试样应变测量值较为合理,而由SHPB原理计算的试样应变值明显偏大,需要摒弃或修正传统的SHPB数据处理方法。通过波形整形技术实现了恒应变率加载,弱化了径向惯性效应的影响,揭示出多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的压缩强度具有显著的应变率效应。通过分析试样轴向应变和径向应变随着加载应力的变化,阐明多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性变形行为的物理机制是畴变和相变共同作用,并发现畴变临界应力和相变临界应力都随着应变率升高而增大。保持加载应变率不变,讨论了孔隙率对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷动态力学行为的影响,发现随着孔隙率的升高,动态压缩强度呈非线性衰减,而畴变临界应力和相变临界应力则基本呈线性衰减。     

电子封装件在热-机械载荷作用下力学行为表征的实验方法综述

电子封装件在热-机械载荷作用下力学行为(尤其是热应力)的表征对于其机械可靠性的评价,失效分析和封装工艺的改进具有重要的意义.本文对目前该领域内主要的实验方法进行了简要的介绍,每项主要实验技术的优缺点、适用范围及其最新的发展及应用等都做了必要的阐述.这些实验技术与有限元方法的结合(杂交法)是探索电子封装件机械可靠性的最有效的方法并且代表着改领域的发展方向.     

Hopkinson压杆实验技术的应用进展

SHPB实验装置是研究各类工程材料动态力学性能的最基本实验手段,它不仅可用于测量金属、高聚物等均匀性好、变形量较大材料的冲击压缩(拉伸、剪切、扭转)应力—应变关系,经改进后还可以用于测量质地软、波阻抗小的泡沫介质材料和质地脆、均匀性差的混凝土类材料的冲击压缩应力-应变关系。此外,SHPB实验装置因加载方式简单,加载波形易测易控制,还可以开展混凝土类材料的层裂强度研究,火工品、引信的安全性、可靠性检测,高G值加速度传感器的标定以及炸药材料的压剪起爆临界点的测定等。     

帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型

帘线/橡胶复合材料广泛应用于轮胎等重要工程领域,为了描述其在服役条件下的大变形、非线性、各向异性和高应变率等材料力学行为,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种考虑应变率效应的帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型. 该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的基体等容变形能、帘线拉伸变形能、剪切应变能和黏性应变能四部分. 给出了模型参数的确定方法,并通过拟合文献中单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据,得到了模型参数. 利用该模型预测了不同加载和变形条件下的力学行为,并将预测结果与实验结果对比分析. 结果表明, 考虑黏性模型和不考虑黏性模型对不同应变率变形条件下的预测结果相差很大,且考虑黏性模型的预测结果与实验结果吻合很好. 因此,与不考虑黏性模型相比,所提出的各向异性黏-超弹性本构模型能更好地表征帘线/橡胶复合材料在大变形、高应变率条件下的力学特性.      

直撞式霍普金森压杆二次加载技术

利用传统分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验技术来实现试件在较低应变率下的大变形时,需要使用超长的压杆系统,杆件的加工和实验空间限制了该技术的推广应用。鉴于此,提出一种直撞式霍普金森压杆二次加载实验技术,利用透射杆中的应力波在其末端的准刚性壁反射实现对试件的二次加载,并分析了准刚性质量块尺寸对二次加载的影响规律;采用二点波分离方法对叠加的应力波进行了有效分离和计算,在总长4 m的压杆系统中实现了1.2 ms的长历时加载,并可以准确获得试件的加载应变率曲线和应力应变关系。建立了直撞式霍普金森压杆二次加载有限元模型,数值仿真结果表明,该实验技术能有效地实现试件的二次加载,与超长SHPB系统获得的仿真结果相比较,两者的试件应力应变关系完全一致。利用该技术对1100铝合金材料进行动态压缩实验,实现了其在10² s⁻¹量级应变率下的大变形动态力学性能测试。

     

云纹干涉法现场测量技术及其在微电子封装中的应用

本文研制了多功能微观云纹干涉仪系统.该系统可以现场测量电子封装组件热疲劳、热湿耦合、热载荷引起的变形,被应用于电子封装组件的可靠性分析中.由现场云纹干涉技术测得的疲劳寿命与加速热循环实验的结果相吻合.本系统还被应用于铜焊点的断裂行为分析中.实验证明本系统可以测量多层结构材料的应力强度因子、应变能释放率以及位相角.     

圆柱形爆炸容器绝热剪切瞬态失效过程

开展了圆柱形爆炸容器逐级加载和破坏实验,根据容器最终的断裂面和微观形貌观测,提出了爆炸容器绝热剪切失效模式。建立了应变率-应变空间内的绝热剪切损伤演化模型,将绝热剪切不同演化阶段的临界状态与宏观的力学条件联系起来,并将这些力学临界条件作为动态失效准则引入到宏观计算程序中,模拟爆炸容器发生绝热剪切的的瞬态过程,模拟结果成功预测了爆炸容器最终的断裂形貌。数值模拟结果还表明,爆炸载荷和率相关失效准则是控制绝热剪切失效模式的2个主要因素,细观初始缺陷往往导致绝热剪切的激发,但对容器最终的失效模式的影响是次要的。当容器在爆炸载荷作用下发生绝热剪切破坏模式时,裂纹(剪切带)扩展速度较快,此时若仍采用整体塑性应变失效准则考察容器的动力响应并作为失效判据,将不能预见材料局部的弱化和破坏。