高应变率下材料行为的分子动力学研究

 本文用分子动力学方法研究了高应变率下晶体材料的力学行为。在冲击加载下，晶体材料中产生了位错和塑性变形。在强冲击时还可出现相变变化。在讨论应变率变化时，获得了屈服强度随应变率增大而增高的结果。     

Al-4.5wt%Cu合金中溶质原子及析出相对锯齿形屈服时空特性的影响

借助不同温度下的固溶处理，得到一系列具有不同溶质原子浓度及析出相含量的Al-4.5wt%Cu合金材料试件.比较这些试件在拉伸实验中的锯齿形屈服现象的时空特性，分析溶质原子与析出相对位错运动的影响，从而探究动态应变时效产生的微观机理.实验结果显示，当固溶处理温度由500℃逐步降低，应力-时间曲线上的应力锯齿跌落幅值逐渐减小，并在300℃时达到最小.继续降低固溶处理温度至100℃，应力锯齿跌落幅值又逐渐增大.同时，热处理方式的改变对剪切带的传播特性也有显著影响.实验发现，固溶处理温度高于300℃时，溶质原子对DSA的影响强于析出相；反之，固溶处理温度低于300℃时，析出相对DSA的影响强于溶质原子；室温下析出相是影响Al-4.5wt%Cu合金DSA机理的主要因素. 关键词： 铝铜合金 锯齿形屈服 动态应变时效 固溶处理     

飞秒激光冲击AZ31B镁合金过程的数值模拟

采用有限元分析法对飞秒激光冲击AZ31B镁合金进行数值模拟,研究了激光冲击处理对镁合金变形过程的影响,分析了单脉冲激光冲击下材料内部的位移、动能、应力和应变的分布情况,得到了材料的瞬态速度和应变率变化过程.仿真结果表明,单脉冲飞秒激光冲击镁合金产生的塑性变形,可在材料表面形成微米级凹坑,中心点处最大位移为34μm,最大变形速度390m/s;在冲击初期,材料表面的应力和应变主要分布在冲击区域中心节点和边缘附近,并且得到镁合金的最大应力和最大应变率分别为955 MPa和1.8×106 s-1.研究结果能够为深入分析飞秒激光与镁合金作用时材料变形参量的变化规律提供数值理论依据.     

晶体相场法研究金属微互连结构形变过程对界面Kirkendall空洞生长的抑制机理

应用晶体相场方法模拟研究金属微互连结构形变过程对界面Kirkendall空洞生长的抑制作用。主要研究在金属微互连结构对称界面不同取向差的情况下，双向恒定速率应变对Kirkendall空洞微观组织及生长动力学的影响。研究结果表明：金属微互连结构界面在双向恒定速率应变作用下有非晶化趋势，界面原子错配度和缺陷密度增大，进而抑制Kirkendall空洞的生长；双向恒定速率应变不改变Kirkendall空洞在对称界面取向差情况下的形核方式，Kirkendall空洞的形核方式为体系形核点饱和后的晶界形核；Kirkendall空洞在金属微互连结构小角度对称和大角度对称界面皆为均匀分布；随着演化时间的延长Kirkendall空洞平均尺寸和面积均逐渐增大；随着小角度对称界面取向差的增大Kirkendall空洞平均尺寸、面积和生长指数均逐渐降低；随着大角度对称界面取向差的增加，Kirkendall空洞平均尺寸和面积逐渐减小，而生长指数逐渐增大。双向恒定速率应变可有效减小Kirkendall空洞生长尺寸和面积，抑制Kirkendall空洞的生长，进而提升金属微互连结构的可靠性。     

温度对大角度晶界变形过程影响的晶体相场法研究

应用晶体相场法研究大角度晶界在外加应力作用下温度对位错运动的影响。研究表明,大角度晶界在应力作用下会发生形状变化;当变形达到临界应变时,晶界褶皱处产生位错并发射进入晶粒内部;温度较低时,晶界处位错形核所需的临界应变更大。在应力作用下大角度晶界通过改变曲率和位错运动产生迁移,温度较高时有利于晶界迁移。     

高压高应变率加载下多晶相变的原位X射线衍射

高功率激光可通过直接烧蚀产生高温、高压、高应变率的物质状态,同时也可驱动金属箔产生与之精密同步的超短超强X射线源,成为利用原位X射线衍射技术研究材料在极端高温、高压、高应变率下相变动力学的重要实验平台.本文基于原型高功率激光装置建立高压、高应变率加载下材料相变的原位X射线衍射诊断平台,并以典型金属钒和铁为例开展冲击相变的原位观测.实验表明,在高应变率(108—109s-1)冲击加载下,金属钒在69 GPa时依然保持体心立方结构不变,而金属铁在159 GPa时已经由体心立方结构转变为六角密排结构,均与文献报道一致.同时原位X射线衍射实验测量的材料压缩特性与宏观Hugoniot曲线符合得很好.利用原位X射线衍射技术研究高应变率动态加载下材料的相变行为对理解材料相变的应变率效应和动力学过程具有重要的科学意义,同时对提高材料工程服役的可靠性以及突破材料极端环境服役的发展瓶颈具有重要的工程价值.     

聚合物泡沫材料动态力学性能及其能量吸收研究

 通过落锤实验,对发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚丙烯（EPP）材料的动态力学性能进行了研究,提出了一种获得聚合物泡沫材料在恒定应变率下本构曲线的方法,建立了EPE的Low Density Foam本构模型。以此为基础,探索了在冰箱跌落过程中,聚合物泡沫包装材料的能量吸收以及对冰箱抗跌落冲击的保护能力。     

率温联合条件下混凝土材料压缩强度的变化规律

混凝土材料的动态压缩强度不仅具有明显的应变率强化(硬化)效应,同时还具有明显的温度弱化(软化)效应。在应变率和温度联合条件下,压缩强度随应变率和温度变化过程中不仅存在清晰的应变率拐折点,拐折点前后压缩强度随应变率变化速率明显不同,而且在不同温度下发生拐折时,其拐折点对应的应变率也存在明显差异。参考近年来相关文献中混凝土材料在率温联合条件下的压缩实验数据,结合理论分析,探讨了在不同温度、不同应变率条件下混凝土材料压缩强度联合效应因子K的变化规律;并对实验数据进行拟合,得到了不同应变率、不同温度下K(T)-■的预测表达式,确定了应变率强化和温度弱化对压缩强度的耦合影响;通过分析应变率拐折点与温度的关系,确定了应变率和温度联合条件下应变率敏感区和不敏感区的率温联合条件界限;建立了率温效应相当(K=1)时的率温等效方程,并确定了混凝土材料的率温等效参数。     

铝锂合金材料状态方程的研究

 多数材料是应变率正敏感的,其屈服应力随着应变率的增加而提高;但是在应变率相关的动力学实验中,发现铝锂合金是应变率负敏感的,具有明显的冲击韧性特征。为了全面认识该种材料的动态力学行为,有必要进一步研究其在较高压力下的冲击压缩性能。通过轻气炮实验,测量了靶板自由面质点速度时程曲线等相关参量,得到了材料的D-u型Hugoniot线。实验揭示了在突加载荷作用之下,在应变率负敏感的铝锂合金材料中可出现类似于弹塑性材料中的双波结构,从而证明了所提出的“极限应变率负敏感粘塑性材料”这一概念的合理性。最后,在弱激波假设的前提下,推导了材料Hugoniot方程与Murnagham状态方程之间的关系,并以实验数据为基础得到了材料的状态方程参数。     

超高应变率载荷下铜材料层裂特性研究

超高应变率载荷下材料层裂特性研究对理解极端条件下材料动态破坏特性具有重要意义.利用双温模型结合分子动力学模拟研究分析了超高应变率载荷下铜材料的层裂特性,发现当应变率在10~9s~(-1)—10~(10)s~(-1)内时,铜材料层裂强度在19 GPa附近波动.而当材料发生冲击熔化时,铜的层裂强度下降到14.89 GPa.利用飞秒激光对铜样品靶进行冲击加载,并利用啁啾脉冲频谱干涉技术开展超快诊断,通过单发次实验测量获得了样品靶的自由面粒子速度演化历史,结果未见表征样品层裂的速度回跳和速度周期性振荡信号.结合冲击动力学理论得到样品自由面附近最大加载压强为8.18 GPa,小于超高应变率载荷下铜材料的层裂强度.此外,对回收样品扫描分析发现,铜样品未发生层裂且飞秒激光引起的冲击波对样品表面结构产生了很大影响.     

位错与溶质原子间动态相互作用的数值模拟研究

通过Cottrell-Bilby型溶质动力学模型，对位错线周围的溶质原子浓度随应变率的变化进行了研究，并得到了三种不同的位错-溶质相互作用方式：在低应变率时，位错被溶质原子气团充分钉扎，它上面的溶质浓度近似达到饱和；在高应变率时，脱钉作用占主导地位，位错运动几乎不受深质影响；而在中间应变率时，位错反复经历着钉扎和脱钉过程，动态应变时效发生.此外，通过对模型方程的推导，还自然地得到了平衡状态下率相关流动应力与应变率之间的N形关系曲线. 关键词： 位错 溶质原子 动态应变时效 数值模拟     

冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性

压电陶瓷是压电冲击传感器的核心元件。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术研究PZT-5压电陶瓷在冲击载荷作用下的力电特性,进行了4～14 m/s不同速度的实验。实验中为保证试件与压杆绝缘,采用了对试件影响较小的表面溅射Al2N3的工艺,溅射厚度为1～3μm。实验结果表明:在冲击加载过程中,PZT-5压电陶瓷的应变变化表现出黏性性质,其产生的电荷与加载过程中试件的应力、应变均相关;当加载速度超过一定值时,加载过程中压电陶瓷可能产生损伤,不同的损伤程度也影响电荷的产生;PZT-5压电陶瓷的力学和电学性能具有明显的率相关性。     

冲击加载下铝的剪切模量

分别用Steinberg-Cochran-Guinan (SCG)模型、修正的SCG模型和有限应变理论对材料的剪切模量做了数值计算，并与一维平面应变加载下铝的实验结果进行了比较.结果表明，修正的SCG模型与实验结果较为符合.在10—80GPa的压力范围下，剪切模量随冲击压力的增加而逐渐增大，这是由于压力的影响占主要地位，发生了加工硬化.在80—125GPa的压力范围下，剪切模量随冲击压力的增大快速减小，这是因为温度的影响比较严重，发生了高温软化现象.剪切模量最终在冲击压力为125GPa处趋于零，这是由于在该压力点冲击熔化发生，剪切强度消失. 关键词： 剪切模量 Steinberg-Cochran-Guinan模型 有限应变理论 铝     

多孔钼烧结体的静压p-V特性研究

 利用中等密度的多孔钼烧结体进行了中、低静压全程加载-卸载实验。研究了在不同直径（特别是较大尺寸）和不同初始密度时该材料的静压p-V特性曲线。实验发现，样品初始密度不同应变也不同；卸载曲线几乎不受样品初始密度、直径的影响。计算表明，泡沫钼在静压下具有较高的吸能性，吸能效率较高，但预压后的泡沫钼吸能性和吸能效率均有所下降。     

金锡共晶互连对HP-LED光热性能的改善

随着功率型LED(HP-LED)对散热的要求越来越高,传统导电银胶越来越难以满足LED的高散热要求。虽然共晶互连工艺是微电子领域中的一种有效的散热互连方法,但是由于LED的特殊性,该工艺在LED互连封装中的性能改善研究还比较少。本文对金锡共晶互连、锡膏互连和银胶互连的3种LED器件分别进行了光学、热学以及剪切力等方面的测试分析研究,结果表明:底部与顶部同时加热的金锡共晶工艺互连的LED器件可以有效地改善仅底部加热共晶互连层中的空洞缺陷,在1 000 mA电流条件下,相对于锡膏、银胶互连的LED器件具有较低的热阻、较稳定的峰值波长偏移、较强的互连层剪切力等性能。金锡共晶互连工艺是一种可以有效改善大功率LED散热及互连强度的方法。     

不同应变率下两种岩石的压缩破碎特征试验研究

为了研究不同岩石在不同应变率下压缩时裂纹的产生规律及破坏模式,将石灰岩和红砂岩制成试件,研究其在不同应变率和受力模式下裂纹的形成模式。开展了两种岩石的准静态压缩和动态压缩试验,采用高速摄影机记录了裂纹的产生和破坏模式。对两种岩石试件的裂纹形态进行对比,基于岩石的物理性质、受力状态、能量演化分析,得到了在不同应变率下压缩时产生差异性的原因。结果表明:准静态压缩下岩石试件受压的破坏模式也会因应变率的不同而存在差异,并且破坏模式的差异对岩石试件的抗压强度将产生显著的影响;从能量演化的角度分析,入射能量的大小将会决定岩石试样动态抗压强度曲线是否出现起伏;动态压缩时,裂纹的周向扩展速度与岩石抗压强度呈正相关。     

基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型

为了直观地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能和应力-应变关系,从细观出发,将冻土视为冰颗粒增强的复合材料,建立了基于冰颗粒增强的冻土细观动态本构模型。根据土相在冲击作用下层层破坏的特点,假定冲击层的动模量因冲击损伤而发生变化,在模型中引入了应变率项。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,通过改变温度和应变率,获得了冻土在不同实验条件下的动态冲击应力-应变曲线。实验结果表明,冻土具有明显的温度效应和应变率效应。模型计算结果与实验结果符合良好,验证了所建立的动态本构模型的合理性和适用性,具有很强的工程应用价值。     

高应变率压缩加载下LY12铝圆管的剪切断裂研究

 通过回收破片的断口观察和金相分析研究了LY12铝圆管在高应变率压缩过程中的剪切断裂现象；回收破片具有典型的剪切断裂特征，断口与径向近似成45°夹角，断口观察发现断口面经历过径向摩擦；破片金相分析表明，绝热剪切带和裂纹首先在圆管内壁附近产生，然后沿最大剪应力线向外壁扩展。利用数值计算给出了圆管在内爆压缩加载下管壁内微元的应力、应变历史，为分析LY12铝圆管的剪切断裂提供了参考。     

钢纤维高强混凝土材料的气体炮试验研究

采用一级气炮设备对C100钢纤维混凝土进行了高应变率冲击压缩实验,对一维应变状态下的混凝土冲击特性进行了分析.试验中采用锰铜压力计测量得到了混凝土中不同拉格朗日位置处的压力波形,利用拉格朗日分析得到了应力应变曲线,冲击波峰值随传播距离而衰减,在钢纤维混凝土中衰减较慢.分析探讨了钢纤维对混凝土的增强作用.     

冲击加载下42CrMo钢的动态力学性能及其本构关系

车轴作为高速列车走行部中的重要部件,不可避免地需承受冲击载荷作用。为研究车轴用42CrMo钢的冲击动态力学性能,对其进行了应变率0.001~4 163s-1范围内的压缩实验,结果显示42CrMo钢在高应变率下表现出明显的应变率效应,存在应变硬化以及一定的热软化效应。根据实验结果对Johnson-Cook模型中应变项和应变率项解耦,并引入绝热温升,得到改进的Johnson-Cook模型,改进Johnson-Cook模型能够较好地描述42CrMo钢的动态力学特性,为实际工程结构力学分析提供了参考。