高强铝合金的动态拉伸断裂行为实验研究

采用不同的冲击加载方式对棒材铝合金(2024-T4、7075-T6)进行动态拉伸断裂实验研究.单轴动态拉伸加载下7075 T6的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024 T4,但三点弯曲和层裂实验中,2024 T4表现出更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力.断口扫描电镜分析发现:2024-T4中孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相,形成穿晶断裂,而7075-T6部分孔洞或裂纹在晶界成核增长形成沿晶断裂,部分孔洞或裂纹在晶内强化相周成核形成穿晶断裂.     

FCC晶体中不均匀变形对空洞长大的影响

通过编制率相关有限元用户子程序,采用一个单胞模型研究了FCC晶体中孔洞在单晶及晶界的长大行为,分析了由于晶体取向及变形失配对孔洞长大和聚合的影响。研究结果表明：孔洞的形状和长大方向与晶体取向密切相关;晶界上孔洞的长大速度大于单晶中孔洞的长大速度;晶粒间的变形失配加速了晶界上孔洞的长大趋势,因而使材料易发生沿晶断裂,随着晶粒间取向因子差异的增加,孔洞越易沿着晶界长大。     

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸（60、100、500 μm）的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:（1）晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;（2）随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;（3）随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。     

韧性断裂裂纹尖端的物理特征和力学行为

本文综述了金属材料发生韧性断裂的裂尖钝化,孔洞成核和长大,孔洞-孔洞或孔洞-裂尖汇合导致裂纹扩展的物理特征,和描述这些特征的本构理论及物理模型。      

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合,但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用,当初始孔洞数密度达到一定临界值时,材料内部没有新的孔洞成核,因此,层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征,给出了这一临界值的计算方法,并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时,在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上,借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果,对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下,当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时,需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响;反之,可以采用简单的层裂损伤模型,不需要计算孔洞成核,但由于增长孔洞之间的相互影响,损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

电迁移诱发表面扩散下沿晶微裂纹的演化

随着微电子技术的快速发展,铜内连导线的失效问题日益受到关注.基于表面扩散和蒸发—凝结的经典理论及其弱解描述,建立描述电迁移下微结构演化的有限单元法,对铜材料内沿晶微裂纹在电迁移诱发表面扩散下的不稳定外形演化进行了有限元模拟.详细讨论了电场、形态比和晶界能与表面能比值对沿晶微裂纹演化的影响.结果表明:沿晶微裂纹在沿着晶界和电场方向发生漂移的过程中存在分节与不分节两种形貌演化分叉趋势,且裂腔分节存在临界形态比βc和临界电场值xc.当β≥βc或x≥xc时,沿晶微裂纹会沿着晶界分节成一大一小两个小沿晶微裂纹.沿晶微裂纹分节时间随形态比和电场的增大而减小,即形态比和电场的增大都使沿晶微裂纹加速分节.而临界电场值xc随着形态比的增大而减小;临界形态比βc随电场的增大而减小.也就是说形态比和电场的增大还将有助于沿晶微裂纹分节.此外,沿晶微裂纹分节时间要比晶内微裂纹的小,即晶界的存在有助于加速裂腔分节.     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

平面碰撞与强激光加载下金属铝的层裂行为

在轻气炮和神光Ⅱ强激光装置上开展了金属铝的层裂实验。针对激光打靶层裂实验中样品自由面速度剖面后期振荡容易丢失问题,改进靶设计,获得很好效果。利用轻气炮加载和强激光加载层裂实验应变率的显著差异,并通过数值模拟,讨论了在建立具有预测能力的理论建模中需要关注的损伤成核、演化与汇合问题中的材料特性与应变率相关特性因素。结果表明,对于我们以前建立的动态损伤与断裂模型,微孔洞成核的平均半径、阈值压力、成核速率相关参数以及微孔洞长大的阈值压力等具有材料特性属性,但微孔洞的表面能以及决定材料发生完全层裂的临界损伤度等具有明显的应变率效应。另外,分析还发现,虽然层裂强度具有明显的应变率效应,但是在样品层裂当地,样品由持续拉伸向收缩转变的临界行为,取决于一个很小的临界损伤,这个临界值很可能是材料常数,与应变率无关。     

晶界结构及其对力学性质的影响(Ⅰ)

许多实验结果表明晶界对多晶材料的力学性能产生很大影响.本文简要总结了研究晶界结构及其对多晶材料力学性能的影响方面的理论和实验工作.第一部分介绍了描述晶界结构的各种模型,包括小角晶界位错模型,大角晶界重合点阵模型、O点阵模型和位移移动重位点阵理论,还讨论了晶界原子和电子结构,以及晶界结合力和晶界能.第二部分总结了晶界结构对力学性能的影响,包括强度,断裂韧度,蠕变,疲劳,沿晶断裂(应力腐蚀开裂,氢脆,液态金属腐蚀等).文中还介绍了最近发展起来的利用控制晶界结构改进多晶材料力学性能方面的新成果,晶界设计和毫微晶材料.      

CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究

高熵合金未来有望应用于航空航天和深海探测等领域,并且不可避免地会受到极端冲击载荷作用,甚至会发生层裂.本文采用分子动力学(MD)方法,研究了CoCrFeMnNi单晶高熵合金冲击时的冲击波响应、层裂强度以及微观结构演化的取向相关性和冲击速度相关性.模拟结果表明,在沿[110]和[111]方向进行冲击时产生了弹塑性双波分离现象,且随着冲击速度的增加呈现出先增强后减弱的变化趋势,但在沿[100]方向冲击时未出现双波分离现象.在冲击过程中,大量无序结构产生且随冲击速度的增加而增加,使得层裂强度随冲击速度的增加而减小.此外,层裂强度也具有取向相关性.沿[100]方向冲击时产生了大量体心立方(BCC)中间相,抑制了层错以及无序结构的产生,使得[100]方向的层裂强度最高;层裂初期微孔洞形核区域无序结构含量大小关系的转变,使得[111]方向的层裂强度在冲击速度较低时(U_p≤0.9 km/s)大于[110]方向,而在冲击速度较大时(U_p≥1.2 km/s)略小于[111]方向.研究成果有望为CoCrFeMnNi高熵合金在极端冲击条件下的应用提供理论支撑和数据...     

On ductile fracture initiation toughness: Effects of void volume fraction,void shape and void distribution

This paper studies the effects of the initial relative void spacing, void pattern, void shape and void volume fraction on ductile fracture toughness using three-dimensional, small scale yielding models, where voids are assumed to pre-exist in the material and are explicitly modeled using refined finite elements. Results of this study can be used to explain the observed fracture toughness anisotropy in industrial alloys. Our analyses suggest that simplified models containing a single row of voids ahead of the crack tip is sufficient when the initial void volume fraction remains small. When the initial void volume fraction becomes large, these simplified models can predict the fracture initiation toughness (J_Ic) with adequate accuracy but cannot predict the correct J–R curve because they over-predict the interaction among growing voids on the plane of crack propagation. Consequently, finite element models containing multiple rows of voids should be used when the material has large initial void volume fraction.     

A void nucleation and growth based damage framework to model failure initiation ahead of a sharp notch in irradiated bcc materials

A continuum damage framework is developed and coupled with an existing crystal plasticity framework, to model failure initiation in irradiated bcc polycrystalline materials at intermediate temperatures. Constitutive equations for vacancy generation due to inelastic deformation, void nucleation due to vacancy condensation, and diffusion-assisted void growth are developed. The framework is used to simulate failure initiation at dislocation channel interfaces and grain boundaries ahead of a sharp notch. Evolution of the microstructure is considered in terms of the evolution of inelastic deformation, vacancy concentration, and void number density and radius. Evolution of the damage, i.e., volume fraction of the voids, is studied as a function of applied deformation. Effects of strain rate and temperature on failure initiation are also studied. The framework is used to compute the fracture toughness of irradiated specimens for various loading histories and notch geometries. Crack growth resistance of the irradiated specimens are computed and compared to that of virgin specimens. Results are compared to available experimental data.     

颗粒材料中致密波结构研究

采用一维两相流模型与相应颗粒构形应力函数,研究了致密波的形成及其结构．用简化两相流模型系统地讨论致密波对有关因素的依赖关系．分析指出：小于基体材料音速的致密波仅能在非理想颗粒材料中存在,从波前到波后,所有状态物理量光滑过渡．大于基体材料音速的致密波,波头可能存在间断．应力函数与致密粘性确定后,致密波速度决定致密波结构、宽度、终态压实度．采用一维两相流模型模拟了活塞驱动颗粒床形成致密波这一动态过程．用线方法（MOL）对该方程组求数值解．计算表明,经过短暂的非稳态过程,颗粒床中形成一稳态致密波．分析了活塞速度与初始孔隙率对致密波结构的影响,并对简化两相流模型与两相流模型的计算结果进行了对比．     

随机晶界分布和连通性对晶间破坏行为的影响

采用随机有限元方法研究了两个具有相同不均匀材料属性和相同随机晶界含量但不同随机晶界分布的特殊多晶体样本在准静态拉伸下的晶间破坏行为,发现随机晶界连通性强的样本的断裂能比较低.在不同随机晶界含量下分别构造的50个晶界随机分布的样本的计算结果表明,断裂能与平均晶界连通数的关联并不明显,甚至还出现了相反的结果,即在相同随机晶界含量下,平均晶界连通数大的计算样本的断裂能反而大.     

延性金属层裂自由面速度曲线特征多尺度模拟研究

以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读。在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法（smootfied particle hydrodynamics, SPH）与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性。通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件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自由面速度曲线中的典型特征。在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵。分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联。Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度。此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率。     

不同应力三维度条件下孔洞的演变及修正的Gurson模型

本文对含不同形状孔洞的幂硬化材料的圆柱体胞模型，运用控制宏观应力三维工的方法进行了有限元分析。计算结果表明：１．孔洞初始形状，应力三维度对孔洞的长大有重要影响；２．Ｇｕｓｏｎ模型对孔洞长大规律的描述是不准确的，不准确度与孔洞初始形状，应力三维度有关，修正后的Ｇｕｒｓｏｎ模型与有限元结果吻合较好；３．在低应力三维度区，孔洞以及形状改变为主，在高应力三维度区，孔洞以扩张为主；     

Dynamic void nucleation and growth in solids: A self-consistent statistical theory

We present a framework for a self-consistent theory of spall fracture in ductile materials, based on the dynamics of void nucleation and growth. The constitutive model for the material is divided into elastic and “plastic” parts, where the elastic part represents the volumetric response of a porous elastic material, and the “plastic” part is generated by a collection of representative volume elements (RVEs) of incompressible material. Each RVE is a thick-walled spherical shell, whose average porosity is the same as that of the surrounding porous continuum, thus simulating void interaction through the resulting lowered resistance to further void growth. All voids nucleate and grow according to the appropriate dynamics for a thick-walled sphere made of incompressible material. The macroscopic spherical stress in the material drives the response in all volume elements, which have a distribution of critical stresses for void nucleation, and the statistically weighted sum of the void volumes of all RVEs generates the global porosity. Thus, macroscopic pressure, porosity, and a distribution of growing microscopic voids are fully coupled dynamically. An example is given for a rate-independent, perfectly plastic material. The dynamics of void growth gives rise to a rate effect in the macroscopic material even though the parent material is rate independent.     

Dynamics of void collapse in shocked energetic materials: physics of void–void interactions

This work presents the response of a porous energetic material subjected to severe transient loading conditions. The porosities, represented by voids, entirely change the response of an otherwise homogeneous material. The variations in terms of energy distribution and maximum temperature reached in the material in the presence of heterogeneities (voids) but in the absence of chemical reactions are studied. This study also accounts for void–void interactions to enhance the understanding of the localization of energy in the material. It is observed that relative position of voids can have important consequence on energy distribution as well as rise in temperature of the energetic material. The relative position of voids further influences the interaction of secondary shock waves generated during the collapse of one void with the downstream voids. This interaction can either enhance or diminish the strength of the shock depending on the location of downstream voids. This work also reveals that the findings from mutual void–void interactions can be used to study systems with multiple voids. This is shown by analyzing systems with 10–25 % void volume fraction. The effect of void–void interactions are connected to the overall response of a chemically inert porous material to imposed transient loads.