陶瓷材料的动态压缩测试

陶瓷材料是地面车辆和航空器防护装甲的重要组成材料。一直以来，陶瓷材料的高应变率压缩性能都受到众多研究者的密切关注。陶瓷材料的高应变率压缩性能是通过SHPB试验获得的。对于传统的SHPB试验，必须满足“一维应力假设”、“试样的轴向应力均匀假设”和“压杆弹性假设”，才可以得到有效的测试结果。而这些基本假设均受到陶瓷材料高强度、高弹性模量和高脆性的挑战。     

组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术

讨论和分析了当前高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,为了获得材料在高温下可靠的动态力学性能,建立了一套在压杆和试件之间添加隔热陶瓷短杆的高温SHPB实验系统。相比于传统接触式高温SHPB方案,该系统可以使用在更高的冲击载荷和温度下,与机械对杆方案相比,实验装置及其控制要简便许多。结合有限元模拟,对陶瓷短杆及温度场对压杆中应力波传播的影响进行了相应的评估,并利用这套实验系统得到了800℃下HR2抗氢钢的动态压缩应力-应变曲线。     

铈γ→α相变的室温动态特性

通过试样组件尺寸匹配设计的被动围压SHPB实验,获得了99.8%纯铈在1.7GPa静水压内的、包含γ?α相变和逆相变过渡区的室温动态静水压-体应变连续曲线。研究显示:室温铈γ→α相变是具有明显滞后现象的一级相变,而非以往研究认为的体积跃变的一级相变;相变过渡区的静水压范围是0.8~1.3GPa。逆相变过渡区的静水压范围是0.6~1.1GPa;逆相变过渡区的静水压-体应变曲线滞后于相变过渡区的静水压-体应变曲线0.15GPa静水压;在相变和逆相变过渡区内,静水压-体应变曲线按照约4.2GPa体积模量的线性关系演化;演化机制为γ和α两相均匀混合、静水压驱动两相组份转化。基于该演化机制,构建了描述相变前后和相变过程的静水压-体应变响应的三段线性模型。     

JOB-9003的动态性能实验

对JOB-9003进行了SHPB压杆实验和逆向Taylor柱实验,研究其在冲击载荷下的动态特性,为进行JOB-9003的本构模型研究提供实验数据基础。通过对SHPB实验获得的应力应变曲线分析得出:在中低应变率范围,JOB-9003应变率对应力的影响成线性关系。通过对逆向Taylor柱实验获得的变形照片分析,发现破坏损伤对材料的力学性能影响显著,不可忽略。利用Taylor实验的结果对SHPB实验中获得的本构模型进行校核,发现该本构模型并不能准确描述处于高应变率下的材料压缩变形。     

45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究

采用改进型霍普金森压杆实验技术,对不同膨胀断裂状态的45号钢薄壁金属圆柱管进行了冻结回收,直接观测了薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中的裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等断裂演化特征。对冻结回收样品进行的金相显微分析完整观察到了裂纹萌生、扩展直至断裂的整个膨胀断裂过程,并得出以下结论:薄壁金属圆柱管在中应变率的膨胀断裂过程中,拉伸和剪切断裂机制起主导作用。裂纹萌生于外壁面,并由外向内扩展,断裂模式随加载应变率的提高逐渐由拉剪混合向纯剪切过渡。与爆轰加载的高应变率薄壁金属圆柱管断裂过程不同的是,随加载载荷的增加,薄壁金属圆柱管的断裂逐渐由拉伸断裂向剪切断裂过渡,而非绝热剪切断裂,这种差异的产生原因尚待研究。     

纯锆的本构模型研究

采用基于位错动力学理论的USCD模型，经拟舍得到纯锆的本构模型。针对其在较高应变率和较低温度下的预测结果和实验数据偏差较大的缺点，考虑锆塑性变形过程中孪晶演化的影响，对模型进行了修正。修正后的本构模型可以较好地描述纯锆在较宽温度范围内、不同应变率下的塑性变形行为，本构模型预测结果和实验数据吻合很好。     

一种适用于低体模量材料的被动围压SHPB实验设计

基于动态三轴被动加载实验技术,建立了一种可测量吉帕量级及以下低体模量材料压强-体应变关系的被动围压SHPB实验设计方法。在该实验设计中确定了样品、封装垫块、围压套管的尺寸以及尺寸间的匹配,并对实验压强进行了限制。通过比较传统SHPB实验和被动围压SHPB实验测量LC4铝合金等效应力的方式,验证了被动围压SHPB实验压强测量的有效性;通过实验和数值模拟分析,验证了体应变测量的有效性。将设计的被动围压SHPB实验方法应用于铈,得到了铈在伽马→阿尔法相变区间完整显示的压强-体应变演化信息,且相变起始和终止压强、相变体积变化量均与静高压实验结果基本一致。这说明设计的被动围压SHPB实验方法适用于测量低体模量材料的压强-体应变关系。     

爆炸加载下金属柱壳破片软回收技术研究

针对爆炸加载下金属柱壳膨胀断裂破片软回收的研究需求,本文通过理论分析和初步的数值模拟设计了由低密度聚氨酯泡沫与水介质为主体的回收装置。与传统单一材料为主的回收装置相比,该回收装置既能在破片高速阶段将低阻抗聚氨酯泡沫对破片的冲击压力减小到约为水对破片冲击压力的1/3,又使破片速度全程持续地较大幅度衰减,还能在破片低速阶段又能充分利用水介质密度大的优势,减小以聚氨酯泡沫单一材料为主的回收装置尺寸。依托该装置开展了炸药加载下304不锈钢柱壳膨胀断裂回收实验。通过测量回收池外壁速度、检查实验后的回收池外观,发现回收池池壁和底部完好,可以重复使用;通过对回收破片称重统计,破片回收率超过85%,破片内外界面辨识度高,破片表面车刀纹清晰可见,内部可见多条未贯穿的裂纹。表明该回收装置对破片的冲击损伤显著降低。根据破片断口和表面信息,推测了破片在金属柱壳的大致位置。本文最后初步给出了回收破片的平均厚度及质量分布等相关信息的统计结果。     

基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

采用改进的SHPB实验装置对45钢薄壁金属圆柱管进行了膨胀断裂加载,完成了不同变形程度 (覆盖圆柱管整个变形及断裂过程)圆柱管的冻结回收实验。回收样品可用于断裂机理研究分析,通过数值模 拟辅助分析和实验数据拟合得到了圆柱管凸起处的径向应变、应变率和环向拉伸应力。通过在圆柱管端粘贴 应变片监测断裂信号的方式,准确判断了圆柱管凸起处发生断裂的时间,以及径向断裂应变、应变率和环向拉 伸断裂应力,在102~104s-1应变率范围内,SHPB实验装置可用于研究金属圆柱管膨胀断裂。     

SHPB实验数据处理的规范化问题讨论

从SHPB实验的一维应力假设出发,确定了入射、反射和透射波的起点位置的判读办法,提高了SHPB实验结果的准确性,并规范了SHPB实验的数据处理。另外,从动量守恒的角度,提出了标准入射波平台高度的判读办法。该方法可以避免弥散振荡对判读入射波平台高度的干扰,并排除人为因素的影响,提高了压杆应变片灵敏系数的标定准确性和标定过程的规范化程度。通过对比理论结果和数值模拟研究的结果,这两种数据处理方法的准确性得到了验证。