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。

     

基于激光超声的GH4169高温合金残余应力检测

目前GH4169高温合金残余应力的检测手段多为有损检测或者检测受限的无损检测,激光超声作为一种具有非接触、高精度和无破坏性等优点的检测手段,鲜被应用于检测GH4169高温合金残余应力的分布特征。本文采用ABAQUS有限元软件模拟了热弹机制下,激光超声检测GH4169高温合金残余应力的声弹效应,为使用实验室自主研发的激光超声检测设备检测GH4169涡轮盘的残余应力提供基础,并重点将激光超声检测结果与X射线检测结果作对比。结果表明:GH4169高温合金的表面波波速与应力之间具有良好的线性关系;在实际检测过程中,由于检测范围不同,激光超声检测结果与XRD检测结果有一定差距,但均为压应力且趋势一致。     

高应变率下的矿岩特性研究

本文采用霍普金森杆（S.H.P.B.）装置对三种磁铁矿和一种化岗岩在应变率为102～103S-1范围内的力学特性进行了研究。文中给出了矿岩在不同应变率下的动态破坏强度,动态弹性模量、动态应力-应变曲线和分析结论。     

恒定高应变率拉伸条件下泡沫金属力学性能

为了探究泡沫金属恒定应变率动态拉伸力学行为,基于3D Voronoi模型,采用双向拉伸加载方式和1.55倍等效胞孔直径高度的试件,实现了5000 s⁻¹恒定高应变率动态拉伸条件下泡沫金属力学性能测试数值模拟实验,模拟结果显示：动态拉伸过程满足应力均匀性和变形均匀性要求,且试件破坏位置合理;在恒定应变率（0.5～5000 s⁻¹）动态拉伸时,泡沫金属的破坏应变基本不受应变率的影响;当应变率不超过500 s⁻¹ 时,破坏应力受应变率影响很小,当应变率在 500～5000 s⁻¹ 时,破坏应力随着加载速率的增大而线性增大。

     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

高应变率下铁锰铸造合金正向和反向应变率效应的研究

对两种铁锰铸造合金在准静态和冲击动态下进行了宏观与微观相结合的试验研究。实验结果表明 ,在准静态下 ,铁锰铝硅合金的强度高于铁锰铝合金 ,但在高应变率动态加载下 ,铁锰铝合金的强度反而高于铁锰铝硅合金。铁锰铝合金表现出很强的应变率强化效应 (正向应变率效应 ) ,而铁锰铝硅合金表现出应变率无关或应变率弱化效应 (反向应变率效应 )。随着应变率的进一步提高 ,两者又都存在一定程度的应变率弱化倾向。根据这一现象 ,着重对高应变率下的绝热温升所致热软化、内部损伤的率相关演化、以及应力诱变马氏体相变等方面进行了探讨。     

高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。     

低加载应变率下页岩力学特性试验研究

利用室内三轴试验获取页岩破坏的典型应力应变曲线。试验结果表明:在所设定的应变率范围内,低围压条件下(10 MPa,30 MPa),峰值强度随应变率升高呈增大的趋势;在高围压的条件下(50 MPa),页岩的应变率效应减弱甚至丧失;随着加载的应变率减小和围压增加,页岩破坏模式由脆性劈裂—剪切破坏向单一剪切破坏转变,页岩的脆性特征被弱化。通过试验结果分析,研究了应变率对页岩内部能量转化、损伤演化的影响规律,可为我国页岩气的大规模开采提供一定的指导理论与方法。     

高温高应变率下异种不锈钢激光焊接件的力学性能

利用改进的SHTB实验设备,对316L和304不锈钢焊接结构的动态力学性能进行了实验.提出了一种适用于焊接结构件的新型的SHTB夹持装置,并在应变率约103 s-1、温度为25～500℃的环境下获得了焊接结构件动态应力-应变曲线.研究表明:随应变率的升高,结构件的屈服强度和抗拉强度随应变率的增大而增大,随温度的升高而降...     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

不同应变率下聚乙烯材料的压缩力学性能

为了研究聚乙烯材料在不同应变率下的压缩力学性能,通过准静态实验和动态实验获得聚乙烯材料不同应变率下的应力应变曲线,分析发现:聚乙烯的弹性模量和屈服强度随应变率增大而增大,具有明显的黏弹塑性;聚乙烯材料进入塑性阶段,其应力应变曲线在不同应变率下具有相近的变化趋势,即塑性切向模量近似相同。根据聚乙烯材料的压缩力学性能,建立了弹性区、屈服点和塑性区的分段本构模型。该模型的屈服点和塑性段与实验结果吻合较好,由于弹性段采用线弹性模型,与实验结果存在一定偏差,可近似描述材料的弹性行为。     

Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates

A modified version of the Kolsky thin-wafer technique is described. The method permits one to obtain the dynamic plastic properties of materials at strain rates as high as 10⁵ sec^?1. Data obtained from compression tests on high-purity aluminum are presented for strain rates ranging from 4000 to 120,000 sec^?1 at room temperature. Specimen-size effects and the effect of lateral inertia are taken into account in analyzing the data. The results plotted as stress vs. strain rate at constant strains (5 to 20 percent) show that, at the highest strain rates, the stress rises very rapidly with strain rate suggesting that a limiting strain rate is being reached. At the lower strain rates (10³ to 10⁴ sec^?1), the stress is linearly proportional to the strain rate indicating that the material is deforming in a viscous manner.     

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。     

飞机风挡无机玻璃在不同应变率下的力学行为

利用电子万能试验机和改进的分离式Hopkinson压杆测试了飞机风挡无机玻璃在2种准静态应变率(4×10-4、4×10-3 s-1)和2种动态应变率(200、400 s-1)下的单轴压缩力学行为,并利用高速摄像机记录试样破坏过程。实验结果表明:玻璃破坏时表现为典型的脆性材料,随着应变率的提高,材料的压缩强度显著提高。通过观察试样变形过程及变形后的形貌可知,玻璃在压缩载荷下的破坏模式为横向张应力引起的裂纹成核、沿轴向扩展与联结交错导致的失效破坏,并从微裂纹成核扩展和能量耗散的角度对材料的应变率效应做出了合理的解释。     

不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的力学响应

蓝宝石（A1₂O₃）是透明陶瓷玻璃,它相较传统陶瓷（A1₂O₃）有优良的透光性,而且保留了陶瓷优良的力学性能。利用电子拉伸机和分离式霍普金森杆设备对试样进行准静态应变率为(10⁻⁴、10⁻³、10⁻² s⁻¹)和4种动态应变率(850、1 100、1 300、1 450 s⁻¹)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了蓝宝石透明陶瓷玻璃试样在准静态和动态压缩下的破坏过程。实验结果表明：从加载过程中的应力应变曲线是由加载段和失效段组成的,该材料是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,蓝宝石透明陶瓷玻璃的抗压强度也会提高;准静态和动态压缩下蓝宝石透明陶瓷玻璃都是在宏观裂纹扩展作用下失效破坏。通过分析不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的破坏过程,分析得到该材料的失效是在加载的过程中,在蓝宝石透明陶瓷玻璃承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并沿着加载方向扩展,然后裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态破坏失效;在高应变率下,极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大的能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。

     

MDYB-3有机玻璃在不同应变率下的一维屈服行为

对MDYB-3有机玻璃进行了多组不同应变率(10-3~3 000 s-1)下的压缩实验, 得到准静态下的屈服应力与动态下的峰值应力。沿其增强与面内2个方向进行准静态压缩实验, 以分析定向拉伸对屈服应力的影响, 修正了Ree-Eyring模型与Cooperative模型以描述定向有机玻璃的屈服行为。采用Johnson-Cook模型描述屈服后的黏塑性行为。结果表明Cooperative屈服模型比Ree-Eyring屈服模型更接近实验结果, 且能准确描述准静态屈服应力。动态压缩下的峰值应力为失效应力, 说明试样在1 500 s-1以上应变率下未达到屈服应力时已经发生破坏。Johnson-Cook模型对于单条曲线拟合良好, 但无法准确描述材料的应变率相关性。     

The mechanisms governing the activation of dislocation sources in aluminum at different strain rates

This article examines the time to activate Frank–Read sources in response to macroscopic strain rates ranging from 10¹ s⁻¹ to 10¹⁰ s⁻¹ in aluminium under athermal conditions. We develop analytical models of the bowing of a pinned dislocation segment as well as numerical simulations of three dimensional dislocation dynamics. We find that the strain rate has a direct influence on both the activation time and the source strength of Frank–Read sources at strain rates up to 10⁶ s⁻¹, and the source strength increases in almost direct proportion to the strain rate. This contributes to the increase in the yield stress of materials at these strain rates. Above 10⁶ s⁻¹, the speed of the bowing segments reaches values that exceed the domain of validity of the linear viscous drag law, and the drag law is modified to account for inertial effects on the motion of the dislocation. As a result the activation times of Frank–Read sources reach a finite limit at strain rates greater than 10⁸ s⁻¹, suggesting that Frank–Read sources are unable to operate before homogeneous nucleation relaxes elastic stresses at the higher strain rates of shock loading. Elastodynamic calculations are carried out to compare the contributions of Frank–Read sources and homogeneous nucleation of dislocations to plastic relaxation. We find that at strain rates of 5×10⁷ s⁻¹ homogeneous nucleation becomes the dominant generation mechanism.     

Brittle and quasi-ductile damage at large strain rates

The present study suggests that molecular and particle dynamics simulations can provide the basis for estimates of qualitative and quantitative aspects of damage in materials with inferior cohesive strength subjected to high strain rate loading. Two examples demonstrate that the traditional continuum models are of limited value in modeling of the class of considered problems.