初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

通过对球面飞片加载条件下的应力/应变状态分析表明采用施加径向应变方法可以近似模拟球面加载的受力过程. 采用过盈配合的热装配方法对平面样品施加了径向预应变,一维平面应变气炮实验结果显示初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度. 从空洞长大基本原理出发分析了各向异性受力条件下空洞长大的路径和所消耗能量不同于各向同性应力加载.通过数值模拟对含损伤的材料本构模型进行分析,得到了材料层裂强度与其外部宏观应力场密切相关,也间接的与构型相关的结论.      

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.     

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

弹塑性复合材料力学性能的细观研究

应用细观力学的Eshelby等效夹杂理论研究了复合材料的弹塑性问题。以铝基复合材料为例,建立了多轴载荷下复合材料弹塑性应力-应变关系,并且理论预报与实验结果符合较好,分析了夹杂形状、体积分数及加载路径对材料宏观性能的影响。同时,还研究了热塑性复合材料热膨胀系数与工艺温度之间的变化规律,分析了热残余应变对材料设计的影响。     

SHPB测试中的均匀性问题及恒应变率

利用一维应力波理论对霍普金森压杆(SHPB)测试中的均匀性问题作了较为详尽的讨论,对测试中各种加载波形的优缺点及各参数对均匀性的影响进行了分析与评估。给出了测试脆性材料时实现恒应变率加载的加载条件。对在满足应力均匀性要求下SHPB的可测应变率范围作了讨论并修正了前人不完善的结论。讨论了考虑均匀性时应采用的测试数据处理方法。利用图解的方法对弹塑性材料测试时的均匀性问题及相应加载要求作了定性分析,指出对弹塑性材料,测试中的应变不均匀也应予以考虑。     

DP钢板应变路径多步演变下的弹塑性力学行为

针对DP高强双相钢板在复杂载荷作用下的弹塑性力学特征,提出利用三步拉伸力学实验,对比分析单轴循环加载和非等轴加载下材料的各向异性硬化、永久软化和弹性模量衰减特性等力学行为,揭示应变路径多步演变下的弹塑性力学特性.研究结果表明:材料再加载初期的瞬态行为与应变路径有关,在初期瞬态阶段显示出明显的各向异性,且再加载角度、预应...     

球形闭孔泡沫金属材料力学行为研究

利用面心立方单元胞模型计算了球形闭孔泡沫金属材料的宏观弹塑性特性,建立了弹性参数和屈服强度与相对密度的关系,所得结果与球形(类球形)闭孔泡沫铝合金试验结果进行了比较,二者吻合较好.此外,利用所建立的单元胞模型计算了等比例多轴载荷下的应力-应变曲线,针对现有的泡沫金属材料弹塑性宏观唯象本构框架,得到了球形孔闭孔泡沫金属材料在不同特征应变下应力势函数曲面及其演化规律,确定了其宏观本构理论模型的材料参数.结果表明,该理论模型能较好模拟有限元数值计算结果.     

板材成型中的分叉和断裂及其空洞扩展效应

用平面应力有限元方法分析空洞模型以模拟一种双相钢板材在成型过程中所遇到的微空洞损伤,经试算可使模型的总体和局部的响应与已有的实验相一致,由此可提供描述该材料的损伤本构参数并研究局部剪切带和扩散型颈缩等分叉现象,临界应变值的分布形成了成型极限图中的下限曲线,当空洞模型的总体应力急剧下降或微裂纹开始出现,其相应的总体应变值提供了上限曲线。     

剪切带状分叉

本文从扩散型解法出发，结合实验，揭示了剪切带状分叉的主要特征；进而，论述材料分叉与结构屈曲（分叉）的不同之处。文中结果表明：在诱发剪切带过程中，材料内空洞的激化速率是控制因素而不在于空洞体积比的自身数量。     

电子互连导电胶的率相关剪切力学行为表征

电子封装互连时芯片与封装基板力/热性能的不匹配及电子产品使役中所遭受的振动、跌落及冲击易使导电胶互连层发生不同程度的剪切变形乃至胶连失效，开展电子互连导电胶的率相关剪切力学行为表征是胶连封装结构可靠性研究的重要基础；针对率相关剪切力学行为有效获取有别于金属/合金类材料的胶连层，本文采用Instron万能材料试验机与分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对50wt.%、60wt.%银含量导电胶搭接互连铜板双剪切试样开展了不同加载率下的剪切测试表征，通过对SHPB的入射波整形保证了胶连层开始发生剪切破坏前后较大时间范围内试样在恒应变率下的应力平衡及均匀变形状态；得到了不同工况下胶连件的剪切失效模式并给出了消除胶连件铜板弹性变形影响的胶连剪切应变与应变率获取方法，分析了加载率与导电颗粒对胶连剪切变形行为及剪切强度的影响；消除胶连件铜板弹性变形后的胶连剪切应变与剪切应变率值相对较小，不同工况下的导电胶互连剪切主要表现为胶粘接失效模式，准静态下较低银含量胶连件的剪切强度相对较高而动态下则相反；研究结果对导电胶在电子工业领域的高效应用及胶粘接结构剪切力学行为的有效表征具有重要意义.     

韧性材料的剪切带状分叉

本文从两个位移变量入手分析了平面应变条件下的剪切带状分叉从而放弃了分叉时体积不变的约束。文中论证了分叉时材料将伴随有局部性的体积变化,应变软化,即材料性质的分叉突变。文中还用摄动法近似分析了材料缺陷可能造成的影响。     

剪切带状分叉的力学条件

在已论证过的应变软化效应对形成剪切带状分叉的作用的基础上,本文研究了:(1)什么受力情况最易激发剪切带(2)采用什么力学模型和参数可以模拟材料中的曲线型带状分叉。     

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。     

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...     

快速加载下TNT材料中绝热剪切带的细观研究

本文对快加载后的国产ＴＮＴ材料，采用光学显微镜和扫描电镜观察，研究了其显微组织，结果表明：在快速加载条件下材料中有绝热剪切带生成。剪切带在细观上的表现形式为：（１）以应变高度集中，晶粒剧烈扭曲为特征的细观组织形貌；（２）在局部区域，晶粒被急剧拉长，形成粗亮而边界清晰的剪切带。在快速加载条件下ＴＮＴ材料中绝热剪切带的产生同时取决于应变和应变切带。在快速的加载条件ＴＮＴ材料中绝热剪切带的产生同时决于应     

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.      

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...     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理,分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验,同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程,并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明,Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布,且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂,宏观表现为劈裂裂纹较少,且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样;而动态加载时穿晶断裂占主导地位,劈裂裂纹明显增加并发生相互作用,因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹,提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致,即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

高速冲击表面处理对金属材料力学性能和组织结构的影响

高速冲击表面处理过程中的应变率对金属材料的宏观力学性能和微观组织结构都具有重要影响。根据当前应变率效应的研究成果,从宏观与微观相结合的角度出发,综述了高速冲击表面处理过程中应变率对金属材料强度和塑性的影响规律,并重点阐述了不同应变率下金属材料内部微观组织结构的演变规律,主要包括晶粒结构、绝热剪切带、相变、位错组态和析出相以及变形孪晶等。此外,还分析了组织结构随应变率的演化和微观变形机制的转变对材料力学性能的强化和弱化机理。最后,对高速冲击表面处理梯度组织的变形特点进行了总结。提出了不同组织结构对材料性能影响的综合效应模型,以期为应变率效应的深入研究奠定基础。     

聚苯乙烯泡沫颗粒散体和整体集合的准静态压缩力学特性

对颗粒聚苯乙烯(EPS)泡沫单粒及封闭容器中的大量颗粒整体分别进行了不同加载速率下的准静态压缩实验,获得相应的压缩应力应变曲线.分析了单颗泡沫颗粒内部气体对材料压缩性能的影响,以及大量颗粒用作包装材料时由于内、外部气体被挤出所引起的密度变化对整体应力应变关系的影响.研究表明:EPS泡沫是典型的闭胞材料,单颗颗粒内部气体...