一维应变层裂过程中孔洞聚集行为研究

延性金属的层裂行为包含孔洞成核、长大和聚集过程,其中孔洞聚集难以通过实验方法直接观测。采用有限元分析方法,研究了延性金属层裂过程中孔洞之间的聚集行为和竞争机制,讨论了孔洞间初始韧带距离、孔洞直径和孔洞位置分布对孔洞聚集的影响。通过实时统计孔洞长大过程中直径的变化,定量分析孔洞聚集的起始时刻。计算结果显示:当初始韧带距离由20μm增加至50μm时,相同孔径孔洞间聚集的起始时间不断延长,聚集时的直径增长加速度由1.717 Gm/s^(2)降至0.602 Gm/s^(2);具有不同孔径比的孔洞之间发生聚集时,小孔优先向大孔靠拢;45°分布方式的孔洞在长大阶段的直径增长加速度最大,约为3.179 Gm/s^(2),且最早发生聚集。计算结果显示,在三孔聚集中,初始韧带距离和孔径相同的孔洞之间几乎同时发生聚集并贯通,且孔洞间聚集的起始时间随着初始韧带距离的增加而延长,大孔向附近小孔聚集的起始时刻较迟。计算结果揭示了层裂实验中难以观察到的孔洞长大和聚集的细观物理过程,对了解材料层裂的物理过程和本质具有重要的参考价值。

高应变率加载下FCC金属晶体取向对孔洞增长的影响

采用率相关的晶体塑性本构模型研究了冲击荷载作用下晶体取向对面心立方金属内部孔洞增长的影响。利用VUMAT子程序,将率相关晶体塑性本构模型嵌入ABAQUS有限元软件中,分析了单晶晶内孔洞、双晶晶界孔洞和三角晶界孔洞的增长行为,结果显示:孔洞的变形模式与晶体取向、晶界位置(冲击加载方向与晶界的相对方位)、加载方向相关,晶体的滑移线模型与晶界位置之间的关系可以反映孔洞增长方向。对于晶内孔洞,加载方向越接近[011],孔洞开始增长变形时间越晚,但孔洞的总体增长变形越大;加载方向越接近[111],孔洞开始增长变形时间越早,但孔洞的总体增长变形越小。对于晶界处孔洞,晶界位置影响孔洞的部分变形,但不会影响总体变形。晶体受冲击之后,若孔洞增长方向沿晶内,则晶界会促进孔洞沿晶内增长;若增长方向沿晶界,则晶界会促进孔洞沿晶界方向增长,抑制其向晶内增长。

多孔未极化Pb(Zr0.95Ti0.05)O3铁电陶瓷单轴压缩力学响应与相变

通过添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率未极化PZT95/5铁电陶瓷.采用非接触式的数字散斑相关性分析(digital image correltation,DIC)全场应变光学测量技术,对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷开展了单轴压缩实验研究,讨论了孔隙率对未极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与畴变、相变行为的影响.多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的单轴压缩应力-应变关系呈现出类似于泡沫或蜂窝材料的三阶段变形特征,其变形机理主要归因于畴变和相变的共同作用,与微孔洞塌缩过程无关.多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度都随着孔隙率的增加而明显降低,而孔隙率对断裂应变的影响较小.预制的微孔洞没有改善未极化PZT95/5铁电陶瓷材料的韧性,这是因为单轴压缩下未极化PZT95/5铁电陶瓷的断裂机理是轴向劈裂破坏,微孔洞对劈裂裂纹传播没有起到阻碍和分叉作用.准静态单轴压缩下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷畴变和相变开始的临界应力都随着孔隙率的增大而呈线性衰减,但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率.

高应变率下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性力学行为

采用添加造孔剂的方法制备了4种不同孔隙率的未极化PZT95/5铁电陶瓷。采用基于超高速相机与数字图像相关性方法的试样全场应变测量技术以及分离式霍普金森压杆(SHPB)技术,对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷进行高应变率单轴压缩实验研究。全场应变测量结果显示:轴向应变仅在试样中部分布较均匀,将该区域的平均应变作为应力-应变关系中的试样应变测量值较为合理,而由SHPB原理计算的试样应变值明显偏大,需要摒弃或修正传统的SHPB数据处理方法。通过波形整形技术实现了恒应变率加载,弱化了径向惯性效应的影响,揭示出多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的压缩强度具有显著的应变率效应。通过分析试样轴向应变和径向应变随着加载应力的变化,阐明多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性变形行为的物理机制是畴变和相变共同作用,并发现畴变临界应力和相变临界应力都随着应变率升高而增大。保持加载应变率不变,讨论了孔隙率对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷动态力学行为的影响,发现随着孔隙率的升高,动态压缩强度呈非线性衰减,而畴变临界应力和相变临界应力则基本呈线性衰减。

极化状态与方向对单轴压缩下Pb(Zr_(0.95)Ti_(0.05))O_3铁电陶瓷畴变与相变行为的影响

利用数字图像相关性分析方法发展了全场应变光学测量技术,并原位实时测量了准静态单轴压缩下铁电PZT95/5陶瓷试件的轴向应变和横向应变.基于轴向应变、横向应变随着轴向应力的变化关系,讨论了极化状态和极化方向对PZT95/5铁电陶瓷的畴变与相变行为的影响.实验结果显示:单轴压缩下,未极化和Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷都会发生畴变,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷则不发生畴变;畴变促使Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷的轴向应变和横向应变同时快速地增长,而对未极化PZT95/5铁电陶瓷的应变增长的影响非常微弱,这种差异性归因于电畴极轴不同的取向分布特征;通过应变分解分析,验证了畴变与相变过程是解耦的,并界定了畴变应变和相变应变的影响范围;与Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷相比,未极化PZT95/5铁电陶瓷的相变开始临界应力和相变结束应力减小,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷则明显增大,由此推论畴变对相变有一定促进作用.基于放电特性的实测结果,还讨论了极化方向对极化PZT95/5铁电陶瓷去极化机理的影响.实验结果显示:Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷去极化机理是畴变和相变的共同作用,其中畴变占主导地位,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷的去极化机理仅是相变.

碳化硼陶瓷的力学特性和破坏行为研究进展

碳化硼陶瓷具有高熔点、高硬度、高强度和低密度的特征,作为一种性能优异的特种陶瓷,在以减重与防护能力为首的轻型装甲中,成为优先选择的装甲陶瓷材料。对于陶瓷材料的抗弹,通常是以自身损伤断裂来消耗弹丸的动能,在弹道冲击下,陶瓷靶不仅处于复杂的应力状态,同时还受应力波波动的影响,整个损伤断裂演化是一个极其复杂的过程,其最终的抗弹性能,除了受材料自身的物理、力学特性影响外,还取决于弹丸的材料、形貌与边界条件。因此,对于装甲陶瓷材料的抗弹性能研究,不仅要关注其物理力学特性,同时还要关注其在不同载荷条件下的破坏行为。本文从装甲陶瓷的抗弹机理出发,对不同烧结方法制备的碳化硼陶瓷材料的韧性、硬度与强度进行总结,探讨碳化硼陶瓷在不同冲击载荷下的断裂机理、非晶化行为,并归纳了损伤本构模型。

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型,建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型,通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史,并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态;其中,失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长,而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展;冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响,Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率,但与冲击速度的大小无关,宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。

基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用

基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好,而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。

轻型陶瓷/金属复合装甲抗垂直侵彻过程中陶瓷碎裂行为研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗侵彻过程中陶瓷的碎裂行为,采用12.7 mm穿燃弹对不同背板厚度及陶瓷厚度下陶瓷/金属复合装甲进行弹道冲击试验。通过观测回收的靶体陶瓷宏观破坏特征,分析不同厚度组合与陶瓷主要破坏特征之间的关系;并通过对陶瓷碎块的多级筛分称重,分析不同厚度组合下陶瓷面板的碎块尺度分布规律。结果表明,陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏形态,其宏观裂纹主要有:径向裂纹、环向裂纹和锥形裂纹。陶瓷锥内可细分为由高压缩应力引起的粉末状较小陶瓷碎块组成的陶瓷粉碎锥和由应力波造成的较大片状陶瓷碎块组成的陶瓷破碎锥。冲击后陶瓷锥内陶瓷碎片尺度分布满足Rosin-Rammler分布模型,当背板厚度增大时,陶瓷半锥角增大,导致陶瓷锥整体体积增大,破碎区占比亦增大,产生的陶瓷碎块以大粒径碎块为主,陶瓷锥内整体破碎尺度增大。当陶瓷厚度增大时,陶瓷锥半锥角及径向裂纹数量基本不变,陶瓷锥内粉碎区占比增大,整体破碎尺度减小。

背板对氧化铝陶瓷薄板断裂锥形态的影响

采用弹道侵彻试验与有限元数值模拟相结合的方法,研究了背板条件对氧化铝薄板陶瓷/金属复合装甲在抗12.7 mm穿燃弹过程中形成的陶瓷锥角大小与形态的影响,并分析了陶瓷锥形成的过程与机理.结果表明:背板厚度对于陶瓷锥大小的影响尤为明显,当背板厚度增大时,主裂纹汇聚的交点越靠近弹靶接触面,此时拉剪裂纹的扩展起到了主要作用,当背板厚度与陶瓷厚度之比小于1时,厚度比每增大1/6,陶瓷锥锥角大小增加5%;当界面间波阻抗差值减小即背板材料波阻抗升高时,从界面反射的应力波减弱,从而减小了对陶瓷的损伤,陶瓷断裂锥锥角大小也随之减小.

UHMWPE背板铺层角度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响

由于背板强度对陶瓷/纤维复合装甲的抗弹性能存在明显影响,采用12.7 mm穿燃弹(刚脆性)冲击实验研究了不同UHMWPE背板铺层角度对陶瓷/纤维复合装甲弹道冲击性能的影响.通过观测回收的弹芯、靶体陶瓷及纤维背板宏观破坏特征,分析了陶瓷/纤维复合装甲的耗能机理及抗弹性能.试验结果表明,陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏模式,其宏观裂纹主要有:径向、环向及与锥形裂纹;纤维背板变形模式为动态锥形鼓包及边界褶皱,其破坏失效模式有:剪切失效及层间剥离.并且,背板强度对陶瓷/纤维复合靶板的抗弹性能有明显影响,随着UHMWPE背板铺层角度的减小,背板强度以及陶瓷/纤维靶板整体结构刚度随之增大,靶板对弹芯的破碎作用越明显,冲击后剩余弹芯最大碎片质量减小,小碎块数量增多,弹丸碎块穿透靶板后剩余侵彻能力减弱,复合靶板整体抗弹性能增加,同时背板鼓包高度减小,锥形鼓包所形成的角度增大,纤维层合板的破坏失效模式从剪切失效向层间剥离转变.

陶瓷/金属复合靶受12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻时弹靶破碎特征

弹靶破碎特征对陶瓷/金属复合装甲的抗弹性能有明显的影响,针对这一现象,进行12.7 mm穿甲燃烧弹垂直侵彻不同陶瓷材料下的陶瓷/金属复合靶板的实验研究。通过观测回收的弹芯及靶体陶瓷宏观破坏形貌,分析不同陶瓷材料与弹芯及陶瓷主要破坏特征之间的关系;通过对碎块的多级筛分称重,开展对不同陶瓷材料下弹芯及陶瓷面板的碎块尺度分布规律的研究。试验结果表明不同断裂韧性对陶瓷和弹的破碎形态及碎块粒径分布有明显影响:当陶瓷的断裂韧性增大时,弹芯小碎片的质量减小,大质量碎片增加,破碎程度减小;陶瓷半锥角增大,径向裂纹减少,陶瓷锥内破碎区碎块尺度呈增大趋势,故整体陶瓷锥破碎区占比提升;弹芯碎块及破碎后的陶瓷碎块粒径累计质量分布符合幂律分布模型。其中弹体碎裂主要分为两个部分,较大的碎块主要是由压剪断裂及应力卸载所导致的拉伸断裂所致,细碎化只发生在弹体头部,主要是由应力波产生的微裂纹与冲击诱发的粒间裂纹相互作用所致;径向裂纹及陶瓷锥是陶瓷冲击破坏的主要表现形式。

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5~844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片(大于8 mm)失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。

675装甲钢的静动态力学行为与J-C模型参数拟合确定

为研究675高强装甲钢在受到弹丸冲击后的动态响应问题,需要确定一套适用于侵彻仿真计算的675装甲钢的材料模型.通过开展675装甲钢的动静态力学性能试验和材料断裂实验,并且根据实验结果对675装甲钢材料的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数进行了拟合.同时,根据弹道试验建立了仿真侵彻模型,将数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明:通过材料性能实验得到的675装甲钢的Johnson-Cook本构和失效模型应用于弹靶侵彻的数值仿真时,得到的仿真结果与弹道试验结果的平均误差为6.5%,最大误差不超过10%,拟合得到的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数的可靠性较高,对675装甲钢在冲击载荷下的仿真计算具有重要意义.

12.7 mm穿燃弹对Q235半无限厚靶板的侵彻行为

针对12.7 mm穿燃弹对半无限厚均质各向同性软钢靶的侵彻行为,采用12.7 mm弹道枪进行了多发垂直侵彻Q235半无限钢靶的弹道试验。试验结果表明:12.7 mm穿燃弹对Q235半无限钢靶的侵彻过程中弹芯无明显变形,表现为刚性侵彻,侵彻深度与弹芯的着靶动能呈线性关系。利用LS-DYNA有限元软件对12.7 mm穿燃弹的侵彻过程进行了数值模拟研究,数值模拟结果与试验结果有较好的一致性,得到了弹丸的侵彻阻力曲线,发现弹丸的侵彻阻力在弹芯着靶前为最大侵彻阻力的5%,弹芯着靶瞬间弹丸的侵彻阻力迅速增大,说明弹芯在12.7 mm穿燃弹对Q235半无限钢靶的侵彻过程中为主要侵彻元。数值仿真过程中,将穿燃弹的着靶动能等效为弹芯的着靶动能时,弹芯的侵彻深度比试验侵彻深度高约40%;将穿燃弹的着靶速度等效为弹芯着靶速度时,侵彻深度与试验相差在1%以内,进一步说明了穿燃弹对Q235半无限钢靶侵彻时弹芯为主要侵彻元。将穿燃弹的侵彻模型简化为刚性弹芯的侵彻模型,在空腔膨胀理论的基础上建立了12.7 mm穿燃弹芯刚性侵彻时的深度预测公式。

刚性卵形弹丸对半无限厚铝合金靶的穿深方程

基于圆柱形空腔膨胀模型,将靶板变形所做的塑性功等效为刚性弹在整个侵彻过程所消耗的动能,对用于计算刚性卵形弹侵彻半无限厚铝合金靶板的侵深公式进行了推导。利用MTS万能试验机对2A12T4、6061T6、7075T6共3种铝合金材料进行了室温下的静态力学性能实验,得到了它们的真实应力-应变曲线,并将各参数代入侵深方程进行计算。通过12.7 mm穿燃弹侵彻3种铝合金靶板的末端弹道试验,得到了不同速度下3种铝合金靶板的侵彻深度,并与理论结果进行了对比验证。结果表明:该理论模型与试验结果吻合良好,推导得到的穿深方程较为可靠。同时,靶板材料的应力-应变数据的可靠性对模型预测的准确性有较大的影响。

12.7 mm穿燃弹对半无限厚45钢的侵彻行为

针对刚性卵形短杆弹对半无限厚钢靶的侵彻行为,利用12.7 mm弹道枪进行不同着靶速度下12.7 mm穿燃弹正侵彻45钢的弹道试验,并结合数值模拟对侵彻过程中的弹丸侵彻行为进行分析。结果表明:12.7 mm穿燃弹对45钢的临界开坑速度为75 m/s,在弹速范围内弹芯表现出刚性侵彻行为,不同着靶速度下弹芯的侵彻阻力上升趋势基本一致,当着靶速度大于400 m/s时,在开坑结束后会出现常阻力阶段,直至侵彻结束。同时,制式弹对45钢的侵彻深度与着靶动能呈线性正比关系,通过拟合得到了无量纲侵彻深度与无量纲动能的关系式。

薄板氧化铝陶瓷复合装甲抗侵彻行为规律研究

为探究不同背板厚度、背板材料、陶瓷厚度和弹速对薄板氧化铝陶瓷复合靶板背板能量耗散的影响,进行12.7mm穿甲燃烧弹冲击陶瓷复合靶板弹道试验。计算背板塑性变形能,表征背板能量耗散,研究不同条件对薄板氧化铝陶瓷复合装甲背板能量耗散的影响。结果表明:背板厚度增加,背板吸能减小;相同厚度时铝合金背板比钢背板吸能少;陶瓷越厚,背板吸能越少;弹速越高,背板吸能越多。

多孔极化PZT95/5铁电陶瓷单轴压缩力学响应与放电特性

采用添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率PZT95/5铁电陶瓷,对其进行电场极化,随后开展了准静态单轴压缩实验,讨论了畴变、相变以及孔隙率对极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与放电特性的影响.研究结果表明:(1)多孔极化PZT95/5铁电陶瓷非线性力学响应行为主要归因于畴变和相变的共同作用,与内部孔洞变形和坍塌基本无关;(2)在准静态单轴压缩下极化PZT95/5铁电陶瓷的去极化机制是畴变和相变的共同作用;(3)孔隙率对极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度有明显的影响,而对断裂应变的影响较小;(4)极化PZT95/5铁电陶瓷畴变和相变开始的临界应力都随着孔隙率的增大而线性衰减,但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率;(5)极化PZT95/5铁电陶瓷电荷饱和释放量随着孔隙率呈线性减小,但孔隙率对电荷释放速率基本没有影响.

高强铝合金的动态拉伸断裂行为实验研究

采用不同的冲击加载方式对棒材铝合金(2024-T4、7075-T6)进行动态拉伸断裂实验研究.单轴动态拉伸加载下7075-T6的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024-T4,但三点弯曲和层裂实验中,2024-T4表现出更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力.断口扫描电镜分析发现:2024-T4中孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相,形成穿晶断裂,而7075-T6部分孔洞或裂纹在晶界成核增长形成沿晶断裂,部分孔洞或裂纹在晶内强化相周成核形成穿晶断裂.