高温高应变率下钛合金Ti6Al4V的动态力学行为及本构关系

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Johnson-Cook模型。结果表明,Ti6Al4V具有显著的应变硬化、应变率强化、应变率增塑和温度软化效应。随着加载温度和应变率的升高,材料的应变硬化效应减弱。温度敏感性随加载温度的升高而显著降低。应变率敏感性因子与加载温度呈负相关,随真实应变的增大呈下降趋势。高温高应变率下细小等轴α相、拉长型α相和块状α相取代初始等轴α相成为Ti6Al4V微观组织的典型特征。考虑率-温耦合作用和绝热温升影响的修正Johnson-Cook模型能够准确地预测Ti6Al4V的塑性流动应力-应变响应。

欢迎投稿

《高压物理学报》是我国高压物理领域唯一的专业性学术刊物。征稿内容为:高温高压下材料的力、热、光、电、磁等特性,高温高压下材料的微观结构和相变,高温高压物态方程,高压合成新材料,高压地球和行星科学,动态及静态高压加载和测试技术,高压下物质的动态响应,冲击和爆轰现象等。《高压物理学报》接受中、英文稿件。

欢迎投稿

《高压物理学报》是我国高压物理领域唯一的专业性学术刊物。征稿内容为:高温高压下材料的力、热、光、电、磁等特性,高温高压下材料的微观结构和相变,高温高压物态方程,高压合成新材料,高压地球和行星科学,动态及静态高压加载和测试技术,高压下物质的动态响应,冲击和爆轰现象等。《高压物理学报》接受中、英文稿件。

向审稿者致谢

2023年11月到2024年10月,《高压物理学报》承蒙高压物理及其相关学科领域的许多专家帮助,审阅了大量稿件,使本刊得以顺利出版发行。为此,编辑部特向下列各位审稿者致谢!

分层一次爆破成井精确延时爆破参数研究

为了研究精确延时微差起爆对一次成井分层爆破效果的影响,理论计算了层内孔间微差时间,利用LS-DYNA软件,采用JH-2岩石模型,模拟了大直径深孔一次成井爆破中的精确延时分层起爆,分析了井筒岩石的损伤演化过程,试验验证了延期时间参数。结果表明,层间采用18 ms延期时间时,爆破效果最佳。结合理论分析和数值模拟结果确定了一次成井的延期时间方案。井筒的成形大致相似,其特征截面面积相似度在83.4%~96.6%之间。通过理论分析、数值模拟和现场试验获得了一次爆破成井工程的精确延时微差分层爆破方法,具有实际应用价值。

圆柱形锂电池在局部压痕下的安全性实验研究

锂电池局部挤压是汽车碰撞引发的主要损伤形式。为了明确锂电池在受到局部挤压时的安全性能,利用自研的机械滥用实验平台,对18650锂电池进行局部压痕实验,以渐进压缩的方式分析其失效过程,得到了失效过程及温度演变规律,讨论了电池荷电状态、加载速度、压痕位置和压头尺寸对电池安全的影响。结果表明:锂电池受局部挤压后有明显的热失控规律,失效后不会立即发生热失控,存在一定的反应时间;电池荷电状态与热失控剧烈程度成正相关,加载速度决定了电池的失效时间;靠近电池负极一端受到损伤时更易引发热失控现象,且受损面积较大时温度更高。实验结果可为锂电池包的安全性设计提供有益的建议。

电爆炸金属桥箔早期过程中电磁-热-力多物理场耦合建模与分析

金属桥箔的电爆炸过程对电炮、冲击片雷管等的性能影响极为关键。这一过程中物质性质变化、几何构型和动力学过程非常复杂,早期的大量理论模拟工作均采用极为简化的物理模型。为此,建立了描述爆炸箔早期行为的三维电磁-热-固体力学耦合求解全物理模型,模拟爆炸箔在大电流加载下的早期受热膨胀过程,并对早期膨胀过程中桥箔上的磁场、电流、温度等演化进行分析,观察到电流在构型和电阻率两种因素影响下的角扩散和线扩散现象,模拟得到的桥区温度场分布与参考文献中的实验图像及模拟结果定性符合。

不同应变率加载下硅的高压相变行为

高压相变是凝聚态物理、地球与行星科学、材料科学等领域关注的核心问题之一,而加载应变率是相变动力学过程的重要影响因素。由于动态加载下物质相结构原位诊断技术的不足以及宽广加载应变率下物质高压相变系统实验研究的缺失,难以开展基于原子尺度物理机制的相变动力学过程建模和数值模拟研究。由于硅的高压相极其丰富,且拥有大量亚稳相,动力学因素在其高压相变过程中发挥着至关重要的作用,因此,硅是研究高压相变动力学的理想材料,对普适相变动力学过程的理论建模具有重要意义。以硅为例,介绍其在准静态、中等应变率和高应变率加载下的相变行为,探讨加载应变率对其高压相变行为的影响。

动能侵彻弹装药起爆可靠性试验及敏感因素分析

为研究弹体结构设计对弹体装药起爆可靠性的影响,设计了一种低成本、便捷式引战静态匹配试验装置,开展了不同条件下引信与装药的传爆裕度试验。基于移动最小二乘法,构建了可表征起爆可靠性的多变量响应函数,定量分析了各敏感因素及其耦合作用对起爆可靠性的影响规律。结果表明:传爆间隙和缓冲层厚度对弹体装药起爆影响较大,而隔板厚度在预设3~5 mm范围内的影响较小;为保证动能侵彻弹在使用环境温度范围内可靠作用,引信相对偏离位置、隔板厚度、传爆间隙以及缓冲层厚度分别不应超过25、3.5、25以及22 mm。该试验装置、分析方法及研究成果可为动能侵彻弹结构设计及可靠性验证提供借鉴和指导。

高温高压下UH_(3)结构稳定性及其冲击分解

利用统计物理模型构建了UH_(3)晶体及其化学分解产物的状态方程,通过比较Gibbs自由能获得了UH_(3)的高温高压相图,并将其应用于疏松和密实UH_(3)冲击压缩性质研究中。结果表明:等温压缩下,UH_(3)晶体在压力约74.0 GPa时发生化学分解,提高温度有助于化学分解的发生,但压力对UH_(3)化学分解相边界的影响是非单调的;冲击加载下,密实UH_(3)在35~50 GPa压力范围内发生化学分解,并且由于冲击分解伴随着明显的体积塌缩,分解产物的雨贡纽曲线位于等温压缩线下方,曲线位置关系反常;UH_(3)的冲击分解压力随着疏松度的增大而减小,当UH_(3)材料的初始疏松度为1.5时,在化学分解转变压力范围内,UH_(3)的分解产物比UH_(3)晶体更难压缩,表现出类似大疏松度材料在冲击作用下的“反常膨胀”现象。研究结果丰富了对UH_(3)材料动态压缩特性的认识,为锕系金属氢化物的高温高压物理化学性质研究提供了理论参考。

近场爆炸下波纹双钢板混凝土组合墙板的损伤破坏及抗爆性能

相对于传统的钢筋混凝土墙板和平面双钢板-混凝土组合墙板(profiled double-skin composite wall,PDSCW),波纹双钢板-混凝土组合墙板(concrete-infilled double steel corrugatedplate wall,CDSCW)具有更高的轴向抗压承载力、更大的侧向抗弯刚度以及良好的抗冲击和抗震性能,在船舶和军事领域有广阔的应用前景。制作2种CDSCW试件,通过近场爆炸试验对比分析了2种试件的损伤模式及动态响应;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了CDSCW和PDSCW的有限元模型,研究了近场爆炸下2种混凝土组合墙板的损伤机理和爆炸响应,并与试验结果进行对比分析;分析了混凝土厚度、钢板厚度、药量对CDSCW抗爆性能的影响。结果表明:近场爆炸作用下,相较于PDSCW,相同混凝土方量和尺寸(长、宽)的CDSCW具有更大的抗弯刚度、更强的抗变形能力以及更优的抗爆性能;增加波纹深度能有效提高CDSCW的抗爆性能,可为抗爆构件设计和相关工程研究提供参考。

二元富氢高温超导的实验研究进展

近室温富氢超导材料相关实验报道引发了科研人员对富氢超导的广泛关注,理论预测与实验探索新的富氢超导体及其物性研究已经成为目前超导领域的研究热点。本文结合课题组在富氢超导材料方面的实验研究工作,详细介绍了二元富氢超导体的实验研究进展。

动态载荷下材料多尺度结构与物性专题·前言

动态载荷下材料的性能与结构是工业领域广泛关注的应用问题,也是国家现代产业升级和制造业创新的科学基石。由于该方向的研究具有广泛的应用指导意义,因此,动态载荷下材料的多尺度结构与物性是现代材料学、应用物理学和高压科学领域的重要基础科学前沿。

高压超导专题·前言

1911年,荷兰科学家Kamerlingh Onnes首次发现汞在温度接近4.2 K时进入零电阻状态,从此拉开了超导电性研究的序幕。寻找具有更高超导转变温度的超导体,尤其是室温超导体,一直是全球科学家孜孜以求的目标。经过一个多世纪的发展,科学家们先后发现了铜氧化物和铁基等非常规高温超导体系,不仅将超导转变温度提升至液氮温区,而且极大地丰富和拓展了凝聚态物理的研究内涵和科学前沿。

一种适用宽速域冲击的明胶鸟弹数值建模方法

明胶鸟弹在不同撞击速度下表现出不同的响应特性。为解决传统明胶鸟弹本构表征方法在不同速度范围内不能通用的问题,开展了330 g明胶鸟弹以70~190 m/s速度、60°或90°入射刚性铝合金平板试验,记录了冲击力数据及撞击形貌。结果表明,随着撞击速度的提高,鸟弹碎裂得更充分,碎块体积减小。利用LS-DYNA建立了自适应FEM-SPH(finite element method-smoothed particle hydrodynamics)鸟体模型。依据试验结果反演得到一组鸟体本构参数:切线模量为1.33MPa,剪切模量为115.95MPa,Murnaghan状态方程参数γ为10.49,k_(0)为69.77 MPa,体积模量为246.4 MPa,失效塑性应变为1.15,初始屈服应力为0.21 MPa。仿真结果与试验结果具有很好的一致性,冲击力峰值的相对误差在2%以内,冲量的相对误差在10%以内。自适应FEM-SPH鸟体模型具有比SPH模型和拉格朗日模型更高的精度。由自适应模型得到的Hugoniot压强与理论结果具有相同的变化趋势,滞止压强与理论值较接近。

弹体尾部斜锥面形状对侵彻偏转的影响

针对弹体斜侵彻多层靶时弹道发生的偏转问题,建立了弹体尾部为斜锥面结构的弹体侵彻偏转理论计算模型,获得了当速度为0.2~1.2km/s、着角为-30°~20°、弹体半径为30~60 mm、尾飘斜面与弹轴的夹角为0°~4°时偏转随尾部结构的变化规律,通过与试验结果进行对比,验证了模型的准确性。结果表明:弹体侵彻仰靶时,弹尾形成负的偏转力矩,弹体产生“低头”效果;弹体侵彻俯靶时,弹尾形成正的偏转力矩,弹体产生“抬头”效果;弹体尾部斜锥面产生的垂直弹轴的偏转力矩约为平行弹轴的偏转力矩的100倍;增大尾飘斜面与弹轴的夹角、尾飘长度、弹体半径均可增大偏转力矩;与增大尾飘长度相比,增大尾飘斜面与弹轴的夹角对增大偏转力矩更有效。

A位有序四重钙钛矿氧化物:结构、物性和展望

A位有序四重钙钛矿氧化物AA′3B4O12具有丰富的物理性质和优异的材料性能,是当今凝聚态物理和材料科学的重要研究对象。相较于简单的ABO3型钙钛矿,在A位有序四重钙钛矿氧化物中,3/4的A位离子被过渡金属离子A′所取代,形成了1∶3的A/A′有序结构。因此,A位有序四重钙钛矿氧化物中的磁-电相互作用不再局限于B位子晶格内部,新颖的A′-A′、A′-B等磁-电相互作用也随之产生,从而展现出许多新现象和新物理机制,并为未来的实际应用提供了材料基础。围绕几种具有代表性的A位有序四重钙钛矿氧化物,回顾其研究脉络,对其晶体结构、物理性质和内在机理进行简单介绍,并对这类材料体系的研究方向和应用前景做出一些展望。

基于PIV实验研究带破口双层圆柱结构附近气泡的动力学特性

近场水下爆炸冲击波破坏双壳体潜艇外壳结构后,后续的气泡脉动和射流载荷会对潜艇的内壳体继续造成严重毁伤,因此研究破口附近的气泡脉动和气泡载荷特性具有重要意义。基于受冲击波毁伤后的双壳体潜艇结构,制作预制圆形破口的双层圆柱结构模型,将电火花装置作为气泡发生源,开展了不同爆距参数(爆距与气泡的最大直径之比)和不同破口参数(破口直径与气泡的最大直径之比)条件下气泡与带破口双层圆柱结构的相互作用实验。通过高速摄影机捕捉气泡在双层圆柱结构附近的脉动和射流形成过程,采用粒子图像测速技术对爆炸流场速度进行测试,得到气泡溃灭后产生的水射流速度,同时采用压力传感器测量内层圆柱壳壁面处的压力载荷。实验结果表明:爆距参数决定了内板壁面所受压力的载荷形式、气泡溃灭后是否产生有效射流以及产生的射流速度;当爆距参数在一定范围内时,破口参数影响气泡的脉动以及气泡溃灭后产生的水射流方向。

栓钉型弧形双钢板混凝土组合板的抗爆性能试验与数值分析

弧形双钢板混凝土组合结构由钢板、混凝土与连接件协同作用,具有更优异的抗震和抗爆性能,被应用于超高层结构、海洋平台和核电设施中。利用试验和数值分析方法研究了栓钉型弧形双钢板混凝土组合结构的破坏模式和损伤机理,参数化分析了爆炸距离、钢板厚度、拱高和栓钉间距对其抗爆性能的影响。结果表明:在爆炸荷载下,栓钉型弧形双钢板混凝土组合板整体表现良好,仍具有较高的承载能力。增加爆炸距离和钢板厚度能有效减小混凝土的损伤和组合板的跨中挠度;减小拱高,混凝土损伤区域从以压缩破坏为主逐渐转换为以拉伸破坏为主,混凝土损伤更严重,组合板跨中挠度变大;减小栓钉间距会增大混凝土塑性损伤程度,但组合板的跨中挠度减小。研究结果可为弧形双钢板混凝土组合结构的设计提供参考。

钙钛矿结构材料专题·前言

钙钛矿结构较为常见,多种功能材料,如铁电陶瓷、燃料电池电极、太阳能电池材料等都具有这种结构。钙钛矿结构最早在矿物钛酸钙(CaTiO_(3))中被发现,因此而得名。现今,钙钛矿泛指具有上述结构或畸变结构的化合物。钙钛矿结构材料的化学通式为ABX3,其中:A位为半径较大的阳离子,如碱金属、碱土金属、稀土金属离子,也可以是更大的原子团;B位为半径相对较小的阳离子,如过渡金属离子;X为阴离子,如卤族或氧族元素离子。