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。

利用VISAR测量LY12铝在冲击压缩下的声速

介绍了利用VISAR技术测量受冲击压缩LY12铝的高压声速的方法。平板对称碰撞实验在冲击波物理与爆轰物理实验室的二级轻气炮上进行,峰值应力约为20、32、55和71 GPa。每发实验中,VISAR同时使用三种条纹常数测量LY12铝和单晶LiF窗口的界面粒子速度剖面。从三种条纹常数计算的界面粒子速度剖面相互符合,完全一致。实验信号具有很高的信噪比,表明样品与窗口之间的界面连结和处理技术非常成功。这种测量技术不仅能够得到初始加载应力下的纵波声速,而且能够得到声速沿着卸载路径的变化。将声速的塑性段外推到初始冲击加载压力即得到该压力下的体积声速。LY12铝的声速测量结果与假定ργ为常数条件下用Mie-Grüneisen状态方程计算的结果符合得很好。

三角形波致LY12铝层裂的平板冲击实验研究

采用基于冲击波衰减动力学的实验技术,使平板碰撞层裂实验的LY12铝样品中,产生三角形冲击脉冲.采用VISAR技术记录样品自由表面历史,获得样品中发生层裂的信号.在经过高应力三角形波实验的软回收样品上,发现了两个层裂面.就样品中呈现三角形脉冲的平板冲击实验而言,样品中可以存在一些高拉伸应力区域并发生多次层裂.将该文提出的基于空穴聚集的层裂模型用于数值模拟这些特定条件的平板冲击试验,并将计算的样品自由面速度历史及样品中的损伤分布与实测的VISAR数据及软回收的样品层裂面等作了比较.研究表明,人为粘性、状态方程、本构方程以及层裂模型对于数值模拟三角形冲击脉冲引起的层裂有严重影响.

钽和LY12铝的高压声速测量

应用两种不同的实验装置钽飞片／LY12铝缓冲层／LiF窗口和钽飞片／LiF窗口。采用逆向碰撞法测量了钽在110～131GPa冲击压力下的纵波声速。实测的钽的声速结果与文献[5]报道的数据有较好的一致性。研究结果表明．作为缓冲层的LY12铝与LiF窗口的阻抗比较接近，使用缓冲层对钽的声速测量结果没有明显影响。实验测量同时获得了LY12铝在110GPa和131GPa冲击压力下的纵波声速。结合文献[4]的数据表明LY12铝在125～150GPa冲击压力范围内，纵波声速随冲击压力的增加逐渐降低至体波声速。

动高压加载下锆基金属玻璃强度测量

为了研究Zr51 Ti5 Ni10Cu25Al9 金属玻璃的高压强度特性，进行了平靶冲击实验。采用反向碰撞方式，运用DISAR技术测量金属玻璃样品／LiF窗口界面粒子速度剖面，分析粒子速度剖面获得了37～66GPa压力范围锆基金属玻璃的屈服强度和剪切模量。实验结果表明，在上述压力范围金属玻璃的屈服强度和剪切模量均显示出一定程度的压力硬化效应，分析表明金属玻璃冲击加载波阵面剪应力衰减并非由损伤／破坏或温度软化等因素导致。

冲击波作用下铝的准弹性卸载行为

根据一维应变冲击波的基本关系,将Cochran等定义的有效剪切模量与准弹性卸载过程的纵波和体波声速关联起来,并藉此研究了冲击波作用下铝的准弹性卸载特性.利用VISAR高压声速测量技术获得了LY12铝在20～100 GPa压力下沿着准弹性卸载过程的有效剪切模量,结果表明LY12铝的有效剪切模量随卸载应力的下降而迅速下降.采用与卸载应力成线性关系的方程对有效剪切模量进行了近似描述,该方程的斜率随初始冲击压力的增加而增加,体现了准弹性卸载行为的压力相关性.将有效剪切模量结果与准静态实验结果进行了比较,由此分析了冲击波作用下准弹性卸载过程的可能物理机制.应用有效剪切模量方程对6061铝合金的准弹性行为进行了模拟,计算结果与实验结果符合很好.

适用于自洽强度方法的冲击加载-再加载实验技术

针对自洽强度方法存在的冲击加载-再加载的难题,提出了一种采用较高硬度材料为支撑制作组合飞片的简便方法。利用该方法获得了铝、锡和锆基金属玻璃较理想的冲击加载-再加载粒子速度剖面,验证了该方法的有效性。由本文获得的冲击加载-再加载粒子速度剖面,并根据自洽方法,计算得到了铝、锡和锆基金属玻璃再加载过程剪应力变化数据。进一步分析表明,在本文涉及的压力范围内,仅由冲击加载-卸载实验得到的铝、锡和锆基金属玻璃屈服强度将比实际结果降低20%~50%。因此,在采用自洽方法计算高压强度时,冲击加载-再加载数据不可或缺。

中子辐照和冷轧(预应变)对高纯铝压缩特性的影响

金属材料的中子辐照脆化一直都是核能安全领域十分关注的问题,辐照硬化效应往往能够定性表征材料的辐照脆化性能.大量冷轧金属被应用于反应堆结构材料,为进一步认识冷轧(预应变)对中子辐照金属材料硬化特性的影响规律及其微观机理,文章研究了退火态和预压缩10%应变高纯铝的准静态压缩性能,以及位错密度,辐照孔洞的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高,辐照缺陷引起的强化效果越强;预应变引入的高密度位错会抑制辐照孔洞的形核和长大,最终降低孔洞的尺寸和数密度;预应变高纯铝表现出显著的辐照退火效应,随着辐照剂量的增加,辐照退火引起的软化效应明显强于辐照缺陷引起的硬化效应,导致预应变高纯铝的屈服强度随辐照剂量先增加后降低;这一结果暗示退火效应很可能导致辐照冷轧材料的屈服强度低于其未辐照时的初始屈服强度,从而降低反应堆内冷轧态金属结构的安全可靠性.最后,基于Johnson-Cook本构关系的B-Y(Byun-Ye)辐照脆化模型能够适用于辐照金属材料的压缩本构关系预测,且模型预测结果与实验结果吻合较好.

与冲蚀有关的粘着与犁沟摩擦系数

提出一种与冲击磨损有关的有效摩擦系数,它被定义为冲击过程中,每一瞬间的切向有效摩擦力与法向载荷之比.有效摩擦力被表示为剪切项与犁沟项之组合.剪切项依赖于剪切金属接合点的状态——滑移或滚动.犁沟项依赖于冲击物在冲击途中使靶材料发生移动的状态.此有效摩擦系数被应用于研究刚性球自由斜冲击延性靶问题.在忽略剪切项仅计及犁沟项的情况下,研究表明,Hutchings实验中的有效冲击摩擦系数是冲击过程与初始冲击角的函数,就时间平均而言,大于Hutchings为拟合计算与实验结果所取的摩擦系数常值0.05.有迹象表明,对于与固粒延性冲蚀有关的刚性球自由斜冲击延性靶问题,在一定条件下,有效摩擦系数主要由犁沟效应确定.

粘着摩擦系数的分形几何研究

计及作用于接触斑点上的切向力,通过比较作用于接触斑点上的法向弹性载荷与法向塑性载荷,确定了区分弹性接触与塑性接触区域的临界接触斑点面积.总的粘着摩擦系数被表示为弹性接触区与塑性接触区的粘着摩擦系数的组合.假设屈服压力及局部粘着摩擦系数不依赖于接触斑点且等于塑性接触区中的平均值,则总的粘着摩擦系数可用简单的表达式描述.分形几何参数及归一接触面积对于粘着摩擦系数的效应已通过算例表明,研究中,分别考虑了忽略与计及接触斑点的微粒问的相互作用,两种情况的结果完全不同.

试论镁铝合金高应变率单轴压缩拟合本构关系的代入校核

从实验与数值模拟的结合上,确定与考察了镁铝合金在一维应力高应变率压缩状态下的本构关系。把由一维准静态及动态压缩试验结果所拟合的经验性本构关系代入镁铝合金的SHPB试验的全过程数值模拟,可再现实验测得的反射波波形及透射波波形。数值模拟也表明,采用SHPB试验经典分析所估算的应力、应变、应变率与试件典型微元在试验过程中所经受的应力应变、应变率也基本一致,然而,应变率并非常值。

混凝土的冲击特性描述

从连续损伤理论出发 ,讨论了盖帽模型。基于大量的混凝土实验结果 ,引出了一种经验性的率相关盖帽模型 ,可以用于描述较低速的混凝土平板撞击试验。为获得水泥砂浆石和卵石在冲击及冲击后的各自行为 ,提出了一种关于混凝土的二组分模型 ,并耦合于平板高速冲击实验的数值模拟 ;讨论了此二组分模型对于均匀冲击加载的非局部化响应问题。

用作VISAR窗口的LiF晶体折射率变化修正因子

利用加窗VISAR测速方程和平面碰撞实验产生已知样品一窗口界面粒子速度的方法，对LiF晶体用作VISAR（激光波长532nm）测速窗口时的折射率变化修正因子进行了测定。给出了LiF晶体窗口在冲击压力2．7～66GPa范围内，折射率变化修正因子测量结果及界面粒子速度修正方法。

双屈服面法测量金属材料动高压屈服强度的若干改进

在J.R.Asay等提出的双屈服面法(简称AC方法)测量动态屈服强度的基础上,对实验设计和数据处理做了部分改进。在实验设计方面,在满足实验物理设计的前提下,将AC方法的卸载实验装置(双层飞片和双台阶样品)简化为单飞片和单台阶样品,以简化波系作用,并减少了声速测量不确定度的引入因素。在数据处理方面,发现由Lagrange声速和工程应变关系曲线外推求预冲击态的体积声速容易引入较大的不确定度,而通过Lagrange声速和粒子速度关系曲线可以更清晰地得到塑性卸载起始点,使图解法和积分法得到的屈服强度值趋于一致。利用改进后的AC方法,得到了低温退火后LY12铝在20.0 GPa预冲击压力下的屈服强度为0.6 GPa。

斜冲击界面动力学研究

讨论了界面受到斜冲击时的动力学问题。有效冲击摩擦系数被处理成冲击过程及初始冲击角的函数 ;界面的法向响应描述计及弹性接触、弹性变形极限以及依赖于应变、应变率及温度的完全塑性接触 ;界面在冲击过程中的构形变化也予考虑 ,并采用平均应变、应变率及最大温升的概念与估算。这种新的斜冲击界面动力学模型用于数值模拟刚性球对于延性靶的斜冲击实验 ,计算与实验比较 。

一种新的概念性层裂模型

在重建Cochran-Banner模型的基础上提出了一种新的概念性层裂模型。这种新模型仅保留CochranBanner模型中的强度函数,重新定义损伤,并抛弃了基本假设:一旦微损伤形成,使微损伤演化远远易于使固体进一步体积应变,进而修正了差分微元中固体比容的计算。在新的模型中,一旦拉伸应力达到层裂强度,重新定义的损伤将由强度函数确定的应力松弛方程、计及损伤的能量守恒方程、状态方程以及本构方程等一系列封闭方程组确定。新模型中也仅包含两个参数:层裂强度及临界损伤度,它们的确定能使在一定初、边值条件下的层裂试验的数值计算结果与实验测得的靶自由面速度历史或靶低阻抗界面应力历史以及回收观测的层裂面上的损伤一致。强调指出,选定强度函数或应力松弛方程提供了确定损伤的可能,同时排除了任何外加的损伤演化方程。

针对瞬态位移干涉仪的非线性回归数据分析方法

针对最近发展起来的剖面测量技术——瞬态位移干涉仪,提出了一种连续的、基于对原始测量信号进行完整重现的非线性回归数据分析方法,给出了具体的处理过程。与常规的基于离散处理思想的峰值搜寻法相比,该方法充分利用了原始测量数据信息,可获得更高的剖面精度,并对剖面细节具有更强的分辨能力,当处理材料的低压弹塑性响应时,优势更明显。以Sn和45钢在低压冲击加载下的自由面粒子速度剖面测量为例,对该方法的特点进行了具体分析。

固粒击靶的有效摩擦系数

定义一种固粒击靶的有效冲击摩擦系数为粘着项与犁沟项的组合,其中包含表征剪切金属结合点的状态滑动或滚动的状态参数以及表征冲击物在击靶过程中产生犁沟效应的状态参数。研究表明,对于硬钢球斜冲击软钢靶情况,在连续滑移的情况下,只有在计及接触斑点的微粒间的相互作用的一定条件下,粘着项的值才可能接近0.05,这是Hutchings为使一系列数值计算的钢球反弹速度及角度与实验结果一致,在所有计算中所取的调节参数“摩擦系数”值。然而,研究表明,对于著名的Hutchings实验,如果连续犁沟发生,犁沟项则是冲击过程及初始冲击角的函数,就过程平均而言,其值大于0.05。由此,可认为,冲击过程中可滑移界面瞬间的滑移、滚动及犁沟状态的转化使Hutchings实验中的“摩擦系数”约为0.05;一般而言,这些状态的转化使固粒击靶的有效摩擦系数的过程平均值远小于低速简单滑移的摩擦系数。

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。

对于层裂强度传统测定方法有效性的讨论

基于Gathers的工作,对试件靶背部贴有低阻抗材料的平面冲击波致层裂试验,导出了传统方法测定层裂强度的一般方程,在无低阻抗材料且作声学近似的条件下,即为Novikov的测定层裂强度的方程。研究指出,传统方法确定的层裂强度测定方程仅仅可能对采用瞬时层裂准则得到的数值模拟的层裂信号有效。数值模拟表明,层裂面上的由损伤演化引起的应力松弛严重影响层裂片中的应力剖面,因而影响靶板自由面速度历史或靶板-低阻抗材料界面应力历史。研究揭示,传统方法导出的估算层裂强度方程由于没有计及应力松弛,对于实测的靶板自由面速度历史或靶板-低阻抗材料界面应力历史并非有效。