一维快速拉伸下无氧铜的动态断裂与破碎

利用电磁膨胀环技术对无氧铜环进行了不同加载电压下的动态拉伸实验。对无氧铜在破碎前出现塑性失稳多重颈缩进行了初步分析,利用能量平衡的破碎理论给出了无氧铜环的破碎分布。三维数值模拟结果表明,颈缩区温升比非颈缩区高,且多重颈缩在环周上的分布服从泊松分布。     

马赫杆加载下无氧铜的动态破碎

为了深入了解金属材料在复杂加载下的动态破碎行为,在有限元模拟的基础上,设计了两类马赫杆加载实验,用于研究无氧铜在复杂加载下的动态破碎行为。实验中,采用火炮加载马赫透镜和激光粒子速度干涉仪测量自由面速度,实现了峰值压力分别为95.75和32.38 GPa的动态加载。结果表明,实验中成功实现了稳定的马赫杆加载,并且观察到马赫杆加载下无氧铜的2种不同近表面破碎模式,即高压下产生微层裂、低压下产生三角波层裂,且层裂区呈凸形分布。

     

Cyclic multiaxial and shear finite deformation responses of OFHC Cu. Part II: An extension to the KHL model and simulations

In this part, the Khan–Huang–Liang (KHL) constitutive model was extended to account for kinematic hardening characteristic behavior of materials. The extended model is then generalized and used to simulate experimental response of oxygen free high conductivity (OFHC) copper under cyclic shear straining and biaxial tension–torsion (multiaxial ratchetting) experiments presented in Part I (Khan et al., 2007). In addition, a new modification for the non-linear kinematic hardening rule of Karim–Ohno (Abdel-Karim and Ohno, 2000) is proposed to simulate multiaxial ratchetting behaviors. Although, the kinematic hardening contributes the most to the response, it is shown that, the loading rate effect, and a coupled isotropic and kinematic hardening effect should also be considered while simulating the multiaxial ratchetting behavior of OFHC copper. Furthermore, the newly modified kinematic hardening rules is able to fairly well simulate the multiaxial ratchetting experiments under different loading conditions, irrespective of the value of applied axial tensile stress, shear strain amplitude, pre-cyclic hardening and/or loading sequence.     

无氧铜等熵卸载路径的实验研究

 采用化爆加载,以黄铜为飞片、无氧铜为靶板,测量了以抗氢钢（HR2）、重玻璃（SiO₂）、铝合金（LY12/LF6）、镁铝合金（MB2）、有机玻璃（PMMA）和空气（Air）为垫块（Anvil）材料中的冲击波速度（上述材料的Hugoniot状态参数C₀、λ均为已知）,由此确定了无氧铜的等熵卸载路径。结果表明：在冲击态（即初始卸载态）高达219 GPa的压力范围内,无氧铜的等熵卸载过程可用Grüneisen状态方程在ργ=ρ₀γ₀近似下作很好的描述;各条卸载路径到一个大气压的终态粒子速度U_S与镜像反演的粒子速度2u的偏差(U_S-2u)/(2u),随冲击波压力的增加而增大。     

Cyclic multiaxial and shear finite deformation response of OFHC: Part I,experimental results

A series of experiments has been conducted on oxygen free high conductivity (OFHC) copper hollow cylinders under cyclic free-end torsion and biaxial tension–torsion at large strains. In addition, equations are developed to account for the finite rotation and strains in electrical resistance strain gages. In free-end cyclic torsion experiments with shear strain range equal to 23%, a significant strain in the axial direction is observed and it accumulates with a constant rate cycle by cycle. In the biaxial tension–torsion (multiaxial ratchetting) experiments, in which the primary (constant) axial stress is larger than the initial yield stress of the material, the loading conditions are varied to determine the influence of primary axial stress, cyclic shear strain range, pre-cyclic hardening and loading sequence on multiaxial ratchetting. Some important experimental features are high-lighted and recommended to help modeling efforts later.     

高导无氧铜杆的冲击拉伸断裂系列实验以及基于样本体积单元的分析

采用Hopkinson装置和一种基于一级气体炮的高速冲击拉伸断裂装置,研究了无刻槽高导无氧铜 (OFHC)杆在一系列冲击拉伸速度下的断裂。当冲击拉伸速度大于40m/s时,断裂位置总在冲击拉伸端附 近,此速度被确定为OFHC的实验临界冲击拉伸速度。一种受单轴冲击拉伸荷载的、中心含椭球空穴的样本 体积单元被用于数值模拟所含空穴的增长与失稳的过程。OFHC的J-C与Z-A 本构关系用于描述基体材料 的动态响应。讨论了空穴失稳条件并提出以空穴形状演化为判据,比较了空穴失稳时的样本体积单元平均径 向应变与无刻槽杆的冲击断裂应变。也用这种样本体积单元模型分析了OFHC的实验临界冲击拉伸速度。     

高导无氧铜在大变形、不同温度和不同应变率下的流动应力和本构模型

为了理解高导无氧铜(OFHC Cu)的塑性流动行为,采用Instron液压试验机和分离式Hopkinson压杆,系统地对OFHC Cu进行了温度为77 ~1 000 K,应变率为0.001 ~7 000 s-1,以及真实应变超过80%的单轴压缩试验。结果表明：在0.001 s-1应变率下, OFHC Cu在约500 K呈现动态应变时效现象。随应变率增高,动态应变时效温度区域向更高温度移动,甚至动态应变时效现象消失。在高应变变形区域,相对温度来说,OFHC Cu塑性流动应力对应变率依赖更强。基于位错运动学和动力学概念,考虑位错在高温和高应变率的粘-曳阻力现象,结合试验结果,导出一个基于物理概念的本构模型。此模型可预测从低到高不同应变率不同温度下OFHC Cu的塑性流动应力。通过比较表明,本构模型预测结果与试验结果吻合较好。     

聚龙一号装置上铜的准等熵压缩线测量实验研究

以聚龙一号装置为驱动源, 分别结合理论计算和电路模拟, 开展了磁驱动平面加载实验设计和样品加载路径控制, 实现了高电导率无氧铜（OFHC）材料的准等熵压缩。实验中采用现有的波剖面测量实验技术成功测量了两个不同厚度OFHC样品/LiF窗口材料的界面速度历史, 再结合Lagrange分析和反积分计算, 成功获取了铜直到100 GPa的准等熵压缩参考线, 与国外公布的SESAME数据线符合较好。     

Hopkinson拉杆试验的优化与高导无氧铜拉伸本构关系的确定

为有效测量试件中的应力、应变及应变率,Hopkinson拉伸试验(TSHB)必须作优化分析,所进行的数值模拟涉及试件与杆件等连接对于实验结果的影响.为减小上升前沿、惯性效应且使试件处于一维应力及均匀应力与应变状态,优化的试件具有一定的长度与形状要求.对于高导无氧铜,由准静态试验及不同应变率与温度的优化TSHB试验得到一系列应力-应变曲线,并被拟合确定J-C及Z-A型动态本构模型.利用所确定的动态本构模型数值计算的反射与透射的应变在一定程度上与实验结果一致.文中强调指出,必须采用全过程数值模拟,对TSHB试验进行优化设计,并且对所确定的试件动态本构模型进行代入校核,再现实验结果.     

无氧铜层裂的实验与数值研究

利用一级气体炮对国产的无氧铜（OFHC）进行了平板撞击致层裂实验,3 mm厚的OFHC飞片撞击6 mm厚的OFHC靶,采用锰铜应力计记录试样/有机玻璃（PMMA）界面附近的应力历史,获得试样发生层裂的信息。软回收试样,观测回收试样的层裂片。采用基于空穴聚集的层裂模型,数值模拟这些平板撞击致层裂实验。数值模拟的应力剖面以及试样层裂片厚度与实验结果基本一致。此外,对于国外相关的OFHC层裂实验,采用基于空穴聚集的层裂模型也作了相应的数值模拟,并进行了比较。