球形弹丸高速冲击IN718合金板的变形与破坏模式

为研究IN718镍基高温合金在高速冲击作用下的抗侵彻能力,采用直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸,利用二级轻气炮试验装置对IN718靶板进行了一系列弹道冲击试验。通过高速摄像机进行拍摄,弹丸的入射速度范围为548.2~1067.0 m/s。对弹丸的剩余速度进行了测量和分析,并对弹道极限速度进行了验证,观察了靶板的变形和破坏模式以及弹孔直径。结果表明:在试验冲击范围之内,随着冲击速度的升高,靶板的变形模式由撕裂破坏到剪切破坏转变,靶板的穿甲破坏模式与冲击速度密切相关;靶板能量吸收效率随弹丸初始动能的增加而降低,且趋于常值0.7;靶板变形挠度随着冲击速度的升高呈减小趋势,且最大变形挠度出现在弹道极限附近;靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随着冲击速度的升高而增大,且背面所形成的弹孔直径大于前面所形成的弹孔直径。

扭转冷作硬化对6061-T651铝合金动静态力学性能的影响

通过扭转变形对6061-T651铝合金进行强化,扭转角度为90°,180°,360°,并对扭转前后的样品进行准静态和动态压缩性能研究。结果表明:随着扭转角度的增加,样品的晶粒尺寸先保持不变,然后开始减小;而Kernel平均取向差(Kernel average misorientation,KAM)却随着扭转角度的增加持续增大。准静态和动态压缩实验显示,随着扭转角度的增加,样品材料的屈服强度稍有提高。在扭转角度相同的条件下,动态屈服强度明显高于准静态下的屈服强度。应变率实验显示样品的屈服强度随着应变率的增加而增大,但是相比于未扭转样品,扭转360°样品的应变率效应显著降低。基于实验数据,拟合了Cowper-Symonds本构模型中的参量,该模型得到的应力-应变曲线与实验结果能够较好地吻合。

随机振动加载条件下铝合金加筋板的疲劳行为(英文)

基于基础激励对固支的3类铝合金加筋板进行振动测试。测试过程中采用应变片监测试样的动态响应。在应变历程的基础上用雨流计数法和Miner线性累积模型得到时域内加筋板的疲劳累积损伤。利用固有频率的改变,拟合用于预测板结构疲劳损伤的新模型,改进先前固有频率下降5%的失效判据。同时,还研究了筋条截面形状与筋间距对铝合金板振动疲劳行为的影响。结果表明,加装T型或L型截面的铆接筋条后铝板的疲劳寿命延长,对于筋条截面积大小相同的筋条,T型截面筋条的加筋板其疲劳寿命长于L型的。此外,振动疲劳寿命表现出对筋间距的敏感性。

冲击载荷下金属材料的微结构-加载特性-层裂响应关系概述

鉴于冲击载荷下金属材料的变形损伤具有微结构和加载特征的依赖性,对国内外有关层裂现象的研究进展进行了简要梳理与总结。概述了晶粒尺寸、织构、晶界类型、相界和元素偏析带等结构对金属材料变形损伤的影响,重点阐述了脉冲宽度、应变率和峰值应力等加载特征对金属材料层裂强度的耦合作用,为了解冲击载荷下金属材料微结构、加载特征与变形损伤行为之间的关系提供参考。

钬激光诱导空化气泡及组织消融的实验研究

为揭示高能量激光脉冲诱导气泡空化的机理及其在组织消融中的应用前景,通过自主研制的Ho:YAG激光器开展了大量激光诱导气泡空化的实验,并将Ho:YAG激光器应用于真实结石的消融过程。首先,通过高速摄影获取空化气泡的演变过程,量化了空泡尺寸随时间的演化过程以及不同激光脉冲能量下空泡体积最大时的形状和尺寸。空化气泡的演变过程包括成核、膨胀、坍塌和反弹等多个阶段,随着时间增加会反复膨胀和坍塌,由于气泡能量急剧衰减,气泡的最大尺寸也迅速减小;随着激光脉冲能量的增加,最大空化气泡的尺寸逐渐增加,整体形状从近似球形逐渐变为椭球形。随后,利用高能激光开展了真实结石的消融实验,并对消融后形貌进行了量化表征,高速摄影和形貌表征结果表明,激光脉冲产生了由水蒸气和结石碎片形成的烧蚀羽流并在结石表面形成碗状深坑,这是气泡空化和光热消融共同作用的结果。钬激光对于结石组织具有较好的消融效果,临床研究中可适当提高钬激光能量以达到更好的碎石效果。

基于同步辐射X射线的B4C/Al复合材料原位拉伸变形和损伤研究

对B4C质量分数分别为15wt.%和30wt.%的B4C/Al复合材料进行了准静态拉伸实验研究,采用基于同步辐射X射线的同时相衬成像和衍射测量技术对B4C/Al的变形损伤过程进行了原位实时表征,再结合X射线数字图像相关技术(XDIC),首次获得了B4C/Al复合材料拉伸过程中的多尺度力学响应:宏观应力-应变曲线、细观变形场和微观晶格衍射谱。应力-应变曲线表明30wt.% B4C/Al较15wt.% B4C/Al具有更高的屈服强度和更强的应变硬化效应,但延展性较差;细观应变场揭示出30wt.% B4C/Al的应变集中区密度更高、更容易扩展联合形成宏观裂纹,导致材料脆断;衍射谱则显示两种复合材料基体的衍射峰峰移和展宽都很小,说明弹塑性变形可能主要集中在颗粒-基体界面。颗粒间距对颗粒增强金属基复合材料应变集中区的密度和其延展性有显著影响,调整颗粒间距有助于平衡其强度和延展性。本文也讨论了XDIC的系统误差,表明位移误差和应变误差控制可分别控制在0.01pixel和0.1%以下。

基于同步辐射原位CT的水牛角结构性能关系研究

为探究水牛角的结构性能关系,基于上海同步辐射光源搭建了高分辨原位CT系统,对水牛角角鞘进行初始表征和准静态压缩下的实时表征,并通过Top-Hat方法提取了角鞘内孔洞三维形貌。结果显示,水牛角角鞘孔隙率在1%左右,椭圆柱状孔洞沿牛角生长方向排列成线,首尾相连却并未连通,均匀分布在波浪状片层之间。孔洞特征椭球的轴长分布满足对数正态分布,长轴和短轴的长度均值分别为7μm和3μm。原位CT结果表明,角鞘在屈服之后,初始孔洞首先扩张而形成微裂纹,随后微裂纹沿着片层界面由外向内发生桥接,片层发生局部屈曲和层间开裂,形成宏观裂纹,导致角鞘内裂纹密度急剧上升。片层之间不仅存在大量纤维黏接(提高了层间拉伸/剪切强度),而且孔洞互不连通,这些因素抑制了层间裂纹的快速传播,使得各处裂纹只能独立缓慢发展而无法贯通样品。波浪状片层使裂纹传播路径更加曲折,层间屈曲增加了片层摩擦耗能。这些机制使得牛角表现出加工硬化,也是牛角在纵向方向呈现优良韧性的主要原因。

基于同步辐射原位CT的聚氨酯泡沫微观变形机理研究

为揭示聚氨酯泡沫的微观结构性能关系,本文依靠自主研发的微型材料试验机,在美国APS光源2BM线站上搭建了原位CT系统,对闭孔硬质聚氨酯泡沫在准静态压缩加载下的变形损伤行为进行了三维实时表征,分辨率可达0.87μm。通过原位CT试验获取了硬质聚氨酯泡沫的应力应变关系,以及三个变形阶段(弹性、平台、压实)的三维结构演化过程。三维图像显示,在平台段会观察到局部压缩带从样品两端向中间传播的过程,且压缩带传播速度会超过压头速度。同时,利用数字体图像相关技术精确计算了聚氨酯泡沫的三维变形场,表明压缩变形主要集中在变形带内部。通过追踪胞元变形过程并利用表面曲率场来量化胞壁变形,发现胞元坍塌主要源于包壁屈曲形成的褶皱。

TPU/CNT导电泡沫力电耦合效应的原位CT实验研究

由掺杂了碳纳米管(CNT)的热塑性聚氨酯(TPU)所制成的导电泡沫材料(TPU/CNT)是一种力电性能优异的新型功能型复合材料。为探究其力电耦合效应,依托上海同步辐射光源搭建了准静态加载下的原位多维(力、电、结构)CT表征系统。在施加压缩载荷的同时,实时采集了应力-应变-电阻曲线以及三维孔洞结构的演化过程。利用回转张量分析方法量化了孔洞三维形貌统计特征的演化过程,同时追踪了试样内典型孔洞的坍塌过程。结果表明,导电泡沫在压缩加载下,孔洞通过边角压实、胞壁屈曲等方式发生坍塌,胞壁及其内CNT相互接触,使得试样内部导电通路增加,在宏观上表现为试样电阻随压缩应变线性下降。相关技术和研究成果可为导电泡沫的材料及传感器设计与工程应用提供参考。

平板撞击下梯度镍的层裂损伤研究

为研究高应变率下梯度镍的层裂损伤行为,对均匀镍材进行准静态扭转,制备出硬度和晶粒尺寸沿径向规则变化的圆柱形梯度镍。运用一级轻气炮对梯度镍进行平板撞击加载,利用多通道激光多普勒测速仪测量梯度镍的自由面粒子速度,计算层裂强度,并结合金相显微镜观察梯度镍回收试样的层裂损伤形貌。实验结果表明:平板撞击加载下,梯度镍的层裂损伤以沿晶断裂为主,并伴随少量晶内形核的孔洞;沿梯度方向,随着硬度的增加,层裂强度和损伤度分别增加和减小;随着撞击速度的提升,梯度镍的层裂强度逐渐升高,损伤度也相应地增加。

激光多普勒测速仪应用于纳秒激光冲击过程的模拟和实验研究

为探索激光多普勒测速仪(PDV)探测效果的影响因素,并检验其用于纳秒激光冲击实验的可行性,本文依靠自主研发的PDV模拟方法以及纳秒激光实验平台,对PDV在稳态及动态下的测量精度进行了定量的测量和分析。稳态的模拟和实验结果显示,改善噪信比以及增加采样率能提高速度信号的质量,而增加时间窗口的长度虽能降低速度信号的不确定度,但是牺牲了部分时间分辨能力。而动态的模拟和实验结果则显示,短时间窗口在速度剧烈变化的情况下(如峰值)拥有更好的表现,而长时间窗口在速度变化较平缓的情况下能发挥出更好的效果。定量的误差分析表明,选取合适的数据解读方法,PDV能够对纳秒级的激光冲击实验进行较为精确的测量。此外,本文的模拟方法能较为精确地预测PDV的实际表现,并为其指明了改进的方法:降低噪信比、增加采样率、根据实际的需求和数据的类型选取合理的时间窗口。

基于X射线相干衍射成像方法的微纳米梁变形场测量

微纳米结构在外加荷载下的变形场测量对于描述和预测微纳米结构力学性能、建立相关模型和理论具有重要意义。目前仍然缺少原位实时测量微纳结构变形场的实验方法,这对微纳米结构的力学性能研究形成了一定的制约。本文结合大规模MD(molecular dynamics,分子动力学)模拟和X射线CDI(coherent diffraction imaging,相干衍射成像)模拟,对通过X射线CDI方法准确测量微纳米结构变形场的可行性进行了验证。首先,通过MD模拟给出纳米梁结构在准静态加载和动态加载后的原子结构模型,然后使用X射线CDI模拟基于实验几何和探测器参数给出原子结构模型的二维X射线相干衍射信号。对得到的相干衍射信号进行二维图像重建,提取出位移场,并与从原子构型提取的位移场进行对比,从而实现对该方法准确性的验证。结果表明,通过X射线CDI获得微纳米结构变形场方法的是可行的,且具有较高的精度。该方法为通过变形场进一步提取微纳米结构纳米尺度的表面特性,如表面杨氏模量和残余表面应力提供了可行方案。

基于同步辐射X射线的SiC颗粒/Al复合材料变形损伤

通过原位X射线成像系统研究了两种SiC粒径配比(45μm和(45+100)μm)对70vol%SiC颗粒(SiCP)/Al复合材料变形损伤行为的影响。在准静态压缩加载下,利用X射线数字图像相关方法(XDIC)计算了SiCp/Al复合材料在不同变形阶段的应变场分布。宏观应力-应变曲线表明,因颗粒尺寸引起的SiCp/Al复合材料的强度差异较小,但粒径配比为45μm的SiCP/Al的延展性明显优于(100+45)μm的SiCP/Al。细观应变场分析表明,粒径配比为(100+45)μm的SiCP/Al比45μm的SiCP/Al更早出现变形损伤带,且前者在变形后期其应变场不均匀性更高。这是由于(100+45)μm SiCP/Al中更早在大颗粒附近出现应变集中点,而且这些集中点会迅速长大和汇聚进而形成宏观裂纹,导致材料更早失效和破坏。因此,减小颗粒尺寸和促进颗粒均匀分布有利于提高颗粒增强金属基复合材料的延展性。断口回收分析表明:两种颗粒尺寸的SiCP/Al复合材料的断裂模式都属于脆性断裂,且断口中都发现有颗粒破坏和界面脱粘现象存在。