孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究

在高压、高应变率加载条件下,孪晶变形对材料的塑性变形具有重要的贡献,而目前孪晶对金属材料的动态屈服强度、冲击响应等的影响还没有被充分揭示.为此,本文考虑孪晶变形和晶粒碎化,针对铍(Be)材料在高应变率加载下的动态力学响应发展了含孪晶的热弹-黏塑性晶体塑性模型.经过和实验结果的对比,发现该模型可以更准确地预测Be材料在动态加载下,尤其是高压动态加载下的屈服强度.进一步,基于该塑性模型研究了Be材料在冲击加载下的准弹性卸载行为,结果表明剪切波速随着压力和剪应变的变化而发生变化是材料产生准弹性卸载现象的主要原因.此外,研究了冲击波卸载过程中Be材料孪晶的演化过程,发现Be材料卸载过程中也伴随着孪晶的产生.     

高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

强冲击下金属材料动态损伤与破坏的分子动力学模拟研究进展

强冲击下金属材料的动力学过程及其内在的机理分析一直是冲击物理的前沿,无论是在国家基础工程还是尖端武器研制中都具有重要的意义与价值。结合课题组的相关工作,综述了国内外冲击物理领域对金属材料在强冲击作用下动态损伤和破坏行为及其机理等问题的研究进展,重点讨论了金属材料内部及表界面微观结构对损伤破坏机制的影响,介绍了复杂加载条件下材料行为研究的机遇与挑战,并展望了下一步研究工作的重点。     

冲击加载下金属铝中氦泡演化行为的相场模拟

氦泡等缺陷对金属材料动态强度的影响一直是动态强度研究关注的重点。将相场方法引入冲击加载下氦泡演化行为研究中,通过与晶体塑性理论耦合,建立了可描述冲击下氦泡早期演化行为的介观模拟技术。应用该方法,针对含氦泡的金属铝材料,从介观尺度对氦泡的演化行为及其对位错集体演化行为的影响进行了研究。结果表明:氦泡结构的非均匀性导致局域应力集中和塑性变形集中,局域塑性变形集中会导致沿冲击波传播方向发射稀疏波;从能量守恒角度上看,在材料变形过程中氦泡生长与塑性变形呈竞争关系,塑性耗散的快慢直接影响氦泡的生长速率,使其发生改变。研究结果可为解读含氦泡材料的宏观屈服强度和层裂行为提供理论支撑。     

气体炮技术

气体炮是当前世界上应用最广的实验室用冲击加载装置，由于气体炮具有高速发射弹丸的能力，它的冲击加载可在固体材料中产生几百ＭＰａ至几百ＧＰａ的冲击波压力，是研究材料在动态高压下的状态方程、本构关系以及断裂和相变的有效工具．同时，也是研究高速弹道学的理想装置。文章介绍了一、二级气体炮的一般工作原理和相关技术，讨论了其使用特点和当前水平，并简要介绍了几个典型的应用实例．     

预应力对多晶铁冲击行为影响的微观模拟研究

冲击加载铁动力学响应是当前冲击波领域金属材料塑性和相变行为研究最为关注的焦点之一.本文采用分子动力学模拟方法开展预应力作用下冲击加载多晶铁的动力学行为研究.模拟结果表明,随着预应力的增加,导致弹塑转变应力(Hugoniot弹性极限)和冲击波速度提高,符合已有的理论分析结果.微观晶体结构表征则发现较大的预应力导致剪应力大于屈服应力,塑性弛豫时间缩短,加快多晶铁α→ε相转变.进一步通过与平面及柱壳纯铁冲击加载获得的自由面速度剖面对比分析,证实了模拟结果.     

冲击诱发NiTi形状记忆合金相变行为研究

NiTi形状记忆合金的高应变动态响应特性在军事、航空等领域具有重要应用.为研究NiTi合金在动态力学诱导下的相变行为,在不同温区不同冲击速率下,通过轻气炮装置对NiTi合金进行了动态加载实验.利用差示扫描量热仪(DSC),综合物性测量系统分析了冲击波残余效应对NiTi合金相变行为的影响.研究发现:受冲击的样品在第一次DSC热循环中观察到了三个马氏体吸热峰,表现为三步逆马氏体相变,而在第二次热循环中其中两个应力诱发马氏体吸热峰因变形恢复消失.形成两个应力诱发马氏体吸热峰的原因可能是晶粒内部与晶界处的相变过程不同步.受冲击后样品DSC放热峰上出现了一小肩峰,表明可能因中间相(R相)的出现而发生了两步相变,结合电阻测量曲线进一步确认R相的存在,且发现奥氏体相向R相转变以及R相向马氏体相转变这两种相变过程在某一温度范围内可同时进行.同时,文中也具体讨论了不同的冲击加载条件对相变过程的影响.     

冲击载荷下金属材料的微结构-加载特性-层裂响应关系概述

鉴于冲击载荷下金属材料的变形损伤具有微结构和加载特征的依赖性,对国内外有关层裂现象的研究进展进行了简要梳理与总结。概述了晶粒尺寸、织构、晶界类型、相界和元素偏析带等结构对金属材料变形损伤的影响,重点阐述了脉冲宽度、应变率和峰值应力等加载特征对金属材料层裂强度的耦合作用,为了解冲击载荷下金属材料微结构、加载特征与变形损伤行为之间的关系提供参考。     

FeMnNi合金冲击相变与卸载逆相变历程研究

采用VISAR测试技术,将正向加载和逆向加载实验相结合,研究了不同加载压力下FeMnNi合金的冲击相变和卸载逆相变历程.结果表明:冲击加载压力与冲击相变阈值之差小于逆相变阈值时,即0＜σp-σt＜σn,FeMnNi合金发生α→ε相变,加载段呈现弹性波、塑性波和相变波三波结构,塑性波在自由面反射稀疏波使FeMnNi合金完...     

动态载荷下铁相变的原子模拟研究进展

铁的α?ε相变是金属高压相变研究领域的经典范例,随着测试技术的进步,其相变机制与动力学研究不断深入,基于激光加载的原位X射线观察结合非平衡分子动力学模拟研究是解决该问题最有效的手段之一。为此,综述了铁在动态载荷下塑性与相变的原子模拟研究进展,综合分析了铁的高压势函数,平面应变加载下晶体的各向异性、冲击强度、应变率、应变梯度、各种初始晶体缺陷等对铁相变机制的影响,以及铁的相变与层裂,同时报道了铁在非平面加载下响应规律研究的最新进展,最后进行了归纳总结和展望。     

基于位错动力学方法的动态塑性变形研究

金属材料的动态塑性变形行为是一个多尺度的瞬变动力学过程,是物理学、力学以及材料科学等学科的交汇点,相关研究对工程应用具有重要的指导意义。动态载荷作用下,微观层面单个缺陷行为与介观层面缺陷群的集体演化行为交织在一起,导致金属材料呈现复杂的宏观力学现象。已有研究表明,金属材料的动态塑性变形与准静态变形存在显著差异,并且受到诸多内部及外部因素的影响。近几十年来,人们发展了位错动力学方法研究金属材料的动态塑性变形。但是由于动态变形问题的复杂性,对动态塑性变形的认识仍然存在不足。本文从计算方法和变形理论两个方面对该领域国内外发展历史及重要进展进行了回顾,以期为动态塑性变形研究提供有益的参考。     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

强激光加载下金属材料微喷回收诊断

金属材料在冲击载荷下的动态响应在许多民用工程、航空航天等领域都有重要的应用背景.而金属材料在冲击载荷下的微喷形成过程,包括微射流、碎裂以及微层裂的物理过程的研究中尚存在许多空白.介绍了国内首次在神光Ⅲ原型激光装置上开展的金属材料微喷回收实验,实现了激光加载下低密度泡沫材料对微喷颗粒的回收,对回收样品进行了X光CT分析,通过图像重建,获得了回收微喷颗粒的三维图像,以及颗粒不同形态分布、颗粒尺寸、颗粒质量等定量结果.     

动态压缩下微介观物理新认识

动态压缩下材料的响应特性由于在国防科技、航空航天、能源环境等领域的应用需求而受到广泛关注。文章从传统的动态压缩实验研究方法出发,介绍了材料在平面冲击波作用下的宏观响应行为和规律性认识,并指出了传统研究方法对描述真实材料行为存在的不足以及开展微介观尺度实验物理研究的迫切需求。在该需求牵引下,简要介绍了动态X射线成像、衍射、散射等原位诊断技术,并总结了动态压缩下在塑性变形、冲击相变、层裂破坏等关键动力学过程中取得的微介观物理新认识。     

冲击加载合金材料微缺陷的中子小角散射初步实验

在冲击动态加载破坏下，金属材料会产生微孔洞、微裂纹和位错等微结构缺陷，这会明显影响材料的某些性能。采用中子小角散射技术研究了冲击加载前后合金材料微缺陷的变化。实验样品分别是以Al和Mg为基体、含有少量其他元素的两种圆柱状合金材料，将样品用不同速度的钢弹冲击，测量样品为加载前、后合金材料共计4个。     

冲击压缩下金属钯的结构相变

钯作为典型高压标定材料,研究其在极端条件下的结构变化以及热力学性质具有广泛需求并充满了挑战,特别是冲击加载下钯的固-固相变过程研究仍然匮乏.本文基于嵌入原子势,使用经典分子动力学方法从原子角度揭示了冲击载荷加载下钯的结构相变路径,在0—375 GPa的压力区间观察到一系列复杂的结构转变特征,从初始的面心立方(FCC)结构,至带密排六方(HCP)结构的层错体心立方(BCC)结构,直至完全熔化.在沿<100>晶向冲击下,在70.0 GPa发现了FCC-BCC相变过程,远低于之前研究中静高压的结果.此外,还发现了冲击方向依赖的相变点,在沿着<110>及<111>晶向冲击时FCC-BCC相变压力分别增加至135.8和165.4 GPa,同时相比完美晶体,引入缺陷会使FCC-BCC相变压强值有20—30 GPa的增幅,并通过势能分布的分析予以验证.本文发现冲击加载下钯的FCC-BCC相变压力大大降低的特殊现象,为钯在高压实验等极端条件下的应用提供了新的理论认识.     

激光冲击强化“残余应力洞”的形成机制

利用ABAQUS有限元软件进行了单个圆形高斯光斑的激光冲击强化数值模拟,分析材料表面光斑中心区域形成的"残余应力洞"现象,并通过分析材料的动态力学响应特征揭示了"残余应力洞"的形成机制。结果表明:在冲击波加载时,光斑边界处会产生很强的剪切应力,形成向四周传播的表面稀疏波和向材料内部传播的剪切波。当稀疏波同时传播到光斑中心,发生相遇、汇聚,使材料产生急剧的上下位移过程,造成冲击波加载塑性变形后的二次塑性变形。二次塑性变形中形成了较大的剪切塑性应变,并降低了冲击波加载阶段产生的轴向和径向塑性应变,使残余压应力降低,从而形成"残余应力洞"。     

铜粉末动态压缩行为的多颗粒有限元分析

颗粒金属材料的宏观力学性能与其细观特性密切相关,金属粉末的冲击压缩问题有待深入研究。选用实验结果较为丰富的铜粉末作为研究对象,基于多颗粒有限元法建立了颗粒金属材料的二维数值分析模型,研究了铜粉末在冲击压缩下的力学行为。数值计算结果表明,在较高速度冲击下颗粒金属材料呈现出高度局部化的变形带,变形带如同冲击波一样从冲击端向支撑端传播。利用速度场计算方法,计算得到了塑性冲击波波阵面的位置,进而获得了不同孔隙率(0.25～0.60)铜粉末的粒子速度与冲击波波速之间的Hugoniot关系,其在较高冲击速度(200～300 m/s)下与实验结果吻合较好。发展了以动态锁定应变为唯一参数的冲击波模型,较好地表征了铜粉末在较高速度冲击下的Hugoniot关系和波后应力。     

给定压力下纯铁材料的冲击相变与层裂特性研究

采用VISAR测量样品自由面速度剖面和回收样品观测分析联合技术,开展等厚对称碰撞实验,结合文献中的实验结果,研究了冲击加载压力大于纯铁材料冲击相变阈值约2~5 GPa和大于冲击相变阈值约10 GPa两种压力状态下纯铁材料的加卸载历程及各相区的变化,并从应力波相互作用的角度,指出了冲击加载压力略大于纯铁材料相变阈值约2 GPa时,等厚对称碰撞样品"反常"二次层裂与冲击相变及逆相变的关联机制。     

纳米多晶铁的冲击相变研究

利用分子动力学方法研究了不同晶粒度的纳米多晶铁在冲击压缩下的结构相变过程,模拟结果表明:纳米多晶铁的冲击结构相变(由体心立方(bcc)结构 α 相到六角密排(hcp)结构 ε 相)发生的临界冲击应力在15 GPa左右.纳米多晶铁在经过弹性压缩变形后,晶界导致的塑性变形开始发生,然后大多数相变从晶界成核并最终发展为大规模相变.不同变形过程在应力和粒子速度剖面上能得到清晰的体现,并通过微观原子结构分析分辨.冲击压缩后的微观结构以晶界原子和以fcc结构原子充当孪晶界的hcp原子为主.晶粒度明显影响晶界变形及相变 关键词： 冲击相变 纳米多晶铁 冲击波 分子动力学