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。

高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的力学响应

为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律,采用10^(−3)s^(−1)应变率下准静态压缩与拉伸、10^(5)s^(−1)应变率下准等熵压缩及10^(7)s^(−1)应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载,高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示,初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化,初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起,初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下,初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大,未观察到间断等非线性变化;而初始奥氏体相中声速曲线存在间断,声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中,初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构,而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载,则在约100 m/s处出现双波结构,二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起;在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中,在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s^(−1)升高至10^(7) s^(−1),相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa,10^(7) s^(−1)应变率下,随着初始样品温度升至402 K,弹性极限降至1.7 GPa,表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。

高应变率冲击荷载下节理花岗岩损伤机制研究

针对冲击荷载作用下贯通节理花岗岩动力响应特征和能量演化规律这一研究目标,以含不同倾角节理花岗岩为研究对象,基于不同倾角节理岩体损伤力学理论模型,开展了高应变率下不同节理倾角花岗岩的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)冲击试验,完成了高应变率下花岗岩的损伤特征研究,获取了岩体动态力学性质和能量耗散特征。研究结果表明:(1)基于Druck-Prager准则和Weibull强度分布准则,结合弹性波理论,建立了不同倾角节理岩体的应力-应变理论模型,该模型能够较好地反映花岗岩的抗压强度、弹性模量随节理倾角变化的动态力学特性,具有较强的倾角效应;(2)相同冲击荷载下,随节理倾角的增大,能量反射系数呈线性上升趋势,能量传递系数呈线性下降趋势,岩样的峰值应力逐渐而减小;相同节理倾角下,随冲击荷载增大,能量反射系数先增大后减小,能量传递系数先减小再增大,能量吸收率随节理倾角的增大而减小;(3)当冲击荷载相同时,完整岩样、节理倾角θ=0°和θ=15°岩样的破碎程度较大,而节理倾角θ=30°和θ=45°岩样的破碎程度较小;当节理倾角相同时,随冲击荷载增大,超过岩样最大抗压强度时,岩样由剪切和拉伸破坏逐渐转化成压碎破坏,且破碎程度也随之增大。

高应变率荷载作用下钢筋与ECC的黏结滑移关系研究

采用水泥基复合材料(engineering cementitious composite,ECC)替代混凝土可以提高结构在偶然荷载作用下的抗连续倒塌性能,但在悬链线大变形阶段钢筋与ECC间可能会出现黏结滑移破坏。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,进行了钢筋与ECC的动态黏结滑移性能试验,分析了ECC强度等级、应变率、钢筋直径对极限黏结强度、刚度和滑移量的影响规律,获得了高应变率下钢筋与ECC的平均黏结滑移曲线,得到其黏结滑移破坏模式。并与静态黏结滑移试验进行对比,得到了动态黏结强度增强因子。进一步,通过钢筋开槽内贴应变片法,获得不同锚固位置的黏结应力及相对滑移的分布规律,提出黏结位置函数。最后,根据试验结果得到钢筋与ECC平均黏结滑移本构,进而乘以黏结位置函数得到考虑锚固位置影响的动态黏结滑移本构,为ECC结构构件设计及有限元分析提供试验依据和理论参考。

恒定高应变率拉伸条件下泡沫金属力学性能

为了探究泡沫金属恒定应变率动态拉伸力学行为,基于3D Voronoi模型,采用双向拉伸加载方式和1.55倍等效胞孔直径高度的试件,实现了5000 s^(-1)恒定高应变率动态拉伸条件下泡沫金属力学性能测试数值模拟实验,模拟结果显示:动态拉伸过程满足应力均匀性和变形均匀性要求,且试件破坏位置合理;在恒定应变率(0.5~5000 s^(-1))动态拉伸时,泡沫金属的破坏应变基本不受应变率的影响;当应变率不超过500 s^(-1)时,破坏应力受应变率影响很小,当应变率在500~5000 s^(-1)时,破坏应力随着加载速率的增大而线性增大。

高应变率下钻孔煤样冲击破坏试验及数值研究

煤层钻孔是防治冲击地压常用的一种简单、经济和有效的降冲减灾手段。针对冲击地压发生后高应变率加载显现,揭示钻孔煤岩的冲击破坏物理过程及其减灾机制对于定量化设计煤层钻孔参数意义重大。为研究高应变率下钻孔对煤样力学性质的影响,通过室内霍普金森压杆试验及颗粒流数值模拟对预制孔煤样进行冲击试验。试验结果表明:高应变率加载下钻孔对煤样的动态抗压强度具有显著的弱化作用,随钻孔数目的增加,煤岩动态抗压强度分别下降11.9%、20.4%、23.2%;随钻孔间距的增加,动态抗压强度分别下降20.4%、14.9%、8.5%、16.4%。含钻孔煤样应力-应变曲线存在应力跌落现象与塑性耗能平台期,应力跌落范围与塑性平台范围随孔数目的增加呈上升趋势。高应变率加载下钻孔对煤样的破坏具有明显的变形局部化引导作用,当煤岩破坏时,初始主裂纹于平行加载方向的孔边拉应力区产生,次裂纹垂直主裂纹方向,孔间裂纹于孔桥间产生。应力集中区随孔桥破碎重新分布,孔边承载区远离钻孔。钻孔后煤样的AE(acoustic emission)事件数峰值出现不同程度的后移,当L≤2.5 d时,AE事件分布呈双峰特征,L>2.5d时,AE事件分布呈单峰特征。

公路棚洞EPS回填层高应变率下缓冲性能研究

基于应变率函数的EPS动态本构关系,通过基础力学实验对不同速率下特别是落石冲击应变率下山区公路棚洞顶部EPS回填层抗压性能的计算,定性研究了EPS泡沫材料的动态力学行为。观察到EPS材料抗压力学性能随应变率提升而增强。通过线性拟合,得到关于EPS其厚度对其抗压性能的影响,在两者因素影响下,计算得到工程实际中最优的缓冲层配合比。

硅橡胶高应变率本构模型研究

针对原始ZWT本构模型在描述硅橡胶高应变率下的动态力学行为时参数难以恒定的问题,将对数律与幂函数律结合对原始ZWT本构模型进行修正,使用修正的ZWT-率相关本构模型描述硅橡胶在高应变率下的动态力学响应。结果表明,使用修正的ZWT-率相关本构模型能够精确快捷地描述硅橡胶在高应变率下的动态力学响应,得到的应力应变曲线和实验应力应变曲线高度吻合,其R-square值均在0.95以上。

高应变率下GH4720Li合金热压缩性能研究

为了研究镍基高温合金GH4720Li在高应变率下的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对材料进行了温度范围为20~1000℃,应变率为10~5000 s^(-1)的单轴热压缩试验,获得了不同温度不同应变率下材料的应力应变曲线。结果表明:在相同的试验温度条件下,GH4720Li合金在高、低2种应变率条件下表现出了不同的动态力学性能。在低应变率(10 s^(-1))条件下,GH4720Li合金的应力值随着温度的升高而降低;在高应变率(1000 s^(-1),5000 s^(-1))条件下,GH4720Li合金的应力值在特定温度(400~800℃)随着温度的升高而升高。结合已获得的试验数据,通过数值拟合的方法对原始Johnson-Cook(J-C)本构方程进行了修正,以满足GH4720Li合金在高应变率下应力的变化规律。通过线性相关系数和平均误差对修正的J-C本构方程精度进行了验证。结果显示:修正的J-C本构方程与试验数据吻合良好,可以大幅度提高J-C本构方程对GH4720Li合金在大应变率范围下的拟合精度。

高温高应变率下G550冷弯钢的动态力学行为

为研究G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学性能,采用高温同步控制霍普金森拉杆装置,开展了不同温度下的高应变率拉伸试验,并在高速液压拉伸试验机上进行了室温下的中应变率拉伸试验。通过获得的应力-应变曲线,得到了材料的本构模型,结合微观形貌分析,探究了温度和应变率对流变应力的影响。结果表明:G550冷弯钢具有明显的应变率强化和温度软化效应。在特定的高应变率范围内(1000~1500 s-1),温度对流变应力的影响大于应变率。基于温度软化系数随温度变化的特征,提出了G550冷弯钢的修正Johnson-Cook本构模型。该模型可以较好地描述G550冷弯钢在高温和高应变率下的动态力学行为,从而为G550冷弯钢在高温、爆炸冲击相关的有限元仿真提供参考。

基于超高温高应变率压缩试验方法的共晶高熵合金动态力学行为研究

基于分离式Hopkinson压杆,建立了一套可对1873 K下材料的动态力学行为进行有效测试的新型超高温高应变率压缩试验方法。该试验方法在原有基础上,通过电机来驱动入射杆和透射杆同步组装系统,利用高精度延时控制器来精确控制撞击杆发射系统以及入射杆和透射杆同步组装系统的启动时间,可实现冷接触时间的精确控制(小于10 ms)以及组装过程对试样冲击力的控制,避免了超高温下冷接触时间对测试结果的影响以及组装过程产生的冲击力引起试样的塑性变形甚至破坏。基于该超高温高应变率压缩试验方法,对粉末等离子电弧增材制造共晶高熵合金CoCrFeNiTa_(0.2)Nb0.1在宽温度(293~1473 K)、宽应变率(0.001~5000 s^(-1))范围内的力学行为进行了测试,并分析了温度和应变率对其塑性流动行为和变形机理的影响规律,获得了该材料流动应力随温度变化曲线上出现的第3型应变时效现象随应变率的变化规律及其物理模型。

高温高应变率加载下Ti-5553钛合金动态力学性能研究

钛合金是遥感类航天器推进系统重要的结构支撑材料,面对空间碎片日益增多的威胁,探究新型钛合金材料的动态力学性能是航天器空间防护的重要技术之一。本文利用高温分离式霍普金森杆(SHPB)对新型Ti-5553钛合金的等轴组织(R1)和双态组织(R2)材料进行动态力学测试,测试温度分别设定为200℃、400℃和600℃,应变率为1200s^(-1)和2500s^(-1)。试验结果表明:在高温高应变率加载条件下,Ti-5553钛合金双态与等轴组织,随着温度的升高,流变应力均下降,而应变变化不明显,即2种组织高温动态压缩力学行为相似;环境温度低于200℃时,双态组织的温度敏感性高于等轴组织,而塑性吸收功小于等轴组织,表现出较高的绝热敏感性;环境温度高于200℃时,等轴组织的温度敏感性高于双态组织,而塑性吸收功小于双态组织,表现出较高的绝热敏感性;Ti-5553钛合金2种组织均在高温高应变率下发生了剪切破坏,靠近剪切带的α相沿着剪切方向被拉长细化。本文获取的新型Ti-5553钛合金动态力学规律可为航天器空间防护结构设计提供基础数据。

确定材料在高温高应变率下动态性能的Hopkinson杆系统

描述了一种利用Hopkinson杆装置确定在高温(温度可高达1 173 K)、高应变率下材料动态性能的试验方法。在试样加温过程中,试样不与入射杆及透射杆接触。当试样加热到预定温度时,气压驱动同步组装系统,推动透射杆及试样,使得应力波到达入射杆与试样接触面时,入射杆、试样及透射杆紧密接触。利用以上系统,完成了连铸单晶铜及上引法连铸多晶铜从室温到1 085 K范围内的应力应变曲线。测试结果表明,不论是上引法连铸多晶铜还是连铸单晶铜,流动应力随温度的升高而下降,在温度低于585 K时,材料的应变硬化率明显大于在温度高于585 K时的应变硬化率。

高应变率下建筑钢筋的本构模型

采用静力和高应变率试验系统。研究了建筑钢筋HPB235，HRB335和HRB400在静栽以及应变率为2～80S^-1下的力学行为．试验结果表明。建筑钢筋的力学性能呈应变率相关性．随着应变率的增大。建筑钢筋的屈服强度和极限强度提高，相比之下，屈服强度的提高幅度大于极限强度；屈服强度较低的钢种比屈服强度较高的钢种呈现更明显的应变率敏感性．经回归分析，给出了以钢筋力学性能特征值为基础的建筑钢筋模型和John-son-Cook模型中的参数．通过算例和已有的模型进行了比较．结果表明：所提出的模型反映了建筑钢筋的动力反应本质。并且可以用来描述应变率小于2S^-1时的建筑钢筋力学行为．

高应变率下砂岩动态拉伸性能SHPB试验与分析

为研究高应变率下煤矿砂岩的动态拉伸性能,将岩样加工成厚径比为0.5的圆盘试件,利用直锥变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用6种冲击气压对试件沿径向进行加载,实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验,测试试件的动态拉伸应力和应变率。试验结果表明:砂岩试件的动态劈裂破坏形态满足巴西圆盘试验有效性条件,试件内的径向应力分布达到应力均匀性要求;分析试验实测波形和应变率效应,得出高应变率下煤矿砂岩试件的拉伸应力和应变率特性。在试验采用冲击气压范围内,试件平均应变率由48 s-1增加至137 s-1,平均应变率与冲击气压近似为对数函数关系,动态拉伸强度与平均应变率近似为乘幂函数关系。

HTPB推进剂高应变率粘弹性本构模型研究

为分析HTPB推进剂在高应变率条件下的力学响应,开展了推进剂分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验,得到了不同温度(-40 ～ 25℃)和应变率(700～ 2050s-1)下的应力-应变曲线.结果表明,HTPB推进剂在高应变率条件下具有显著的温度和应变率敏感性,且随着应变率的增加和温度的降低,推进剂的应力逐渐增加.在Burke模型基础上,结合超弹性和粘弹性理论,建立了一种考虑温度和高应变率效应的本构模型.通过不同温度和应变率条件下实验结果与本构理论预测对比,验证了本构模型的有效性,可为固体推进剂药柱点火瞬态结构完整性分析提供理论依据.

纯铁高温高应变率下的动态本构关系试验研究

利用带有加热装置和同步组装系统的分离式Hopkinson压杆装置对纯铁进行宽温度范围(293～1073K)、高应变速率(2000～8500s-1)下的动态力学性能测试试验,获得材料在不同温度和应变率耦合作用下的应力—应变曲线,从中探讨温度和应变率对纯铁塑性流动应力的影响机制。研究表明,纯铁具有明显的热软化效应、应变率强化效应和应变强化效应,流变应力随温度的降低和应变率的增加而提高;利用所测的应力—应变曲线拟合的Johnson-Cook本构模型可以较好地预测纯铁的塑性流变应力。

不锈钢0Cr18Ni10Ti焊接头高温、高应变率下的动态力学性能

利用带有加热装置和同步组装系统的Hopkinson压杆系统对反应堆工程管道材料0Cr18Ni10Ti焊接头的母材和焊缝进行了高温、高应变率下的动态力学性能测试.实验的应变率范围为200—3800 s^(-1),温度范围为25—600℃,得到了材料在不同温度和应变率耦合作用下的应力-应变曲线。着重考察了两种材料塑性流变应力的温度和应变率敏感性,并得到了它们的Johson-Cook(J-C)模型.实验表明,母材和焊缝材料均具有较强的热软化效应及应变强化效应,而应变率强化效应相对较弱,并且这些效应本身也受到温度的影响.温度较高时,材料的塑性流变应力受应变和应变率强化的程度减弱,在一定变形量下甚至出现降低趋势.根据热激活位错运动理论对上述现象的内在机理进行了解释和探讨,并对试样的金相组织进行了观察和分析.

高应变率条件下三峡工程花岗岩动力特性的试验研究

采取多种措施改进了分离式Hopkinson压杆试验技术,用改进的设备对三峡坝址处的花岗岩进行了大量的动态单轴压缩试验和劈裂试验,发现该岩石具有明显的应变率效应,其动态压缩破坏呈3种形态:边缘崩落、留心破坏、完全破坏;探讨了相应的破坏机制;分析了应变率对动态弹性模量和动态抗压强度的影响;以Hoek-Brown破坏准则为基础建立了相应的动态破坏准则。

实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术

设计了新型的爆炸膨胀环实验加载装置,加载装置中采用爆炸丝线起爆方式,避免了传统装置中对碰爆轰波加载时的应力不均匀性。利用新型的爆炸膨胀环实验技术研究了无氧铜材料的动态性能,利用激光位移干涉仪测量了试样环的径向速度历史,处理数据获得了无氧铜材料的流动应力-塑性应变-应变率的关系,为进一步利用爆炸膨胀环实验技术研究材料在高应变率拉伸加载时的本构关系奠定了基础。