《多晶冰力學性能的應變率與溫度效應及其微觀機制》是依託中國科學院力學研究所，由吳先前擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多晶冰力學性能的應變率與溫度效應及其微觀機制
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：吳先前
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
凍的動態力學性能對於極地航線開發、宇宙生命探測都至關重要。本項目研究多晶冰力學性能的應變率與溫度效應及其微觀機制。通過低溫分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗裝置，測量不同應變率與溫度範圍內的應力應變關係，獲得其應變率與溫度相關的強度、剩餘強度、失效模式等特徵；在實驗數據的基礎上，基於Drucker-Prager塑性流動準則建立應變率與溫度相關的經驗型本構關係。與此同時，採用分子動力學（MD）模擬，獲得冰在動態變形下分子層次結構的演化規律，及其與凍的強度、殘餘強度、失效模式之間的關係；基於微觀變形動力學，通過合理假設，建立反映變形物理機制的本構關係。
結題摘要
凍的動態力學性能對於極地航線開發、宇宙生命探測都至關重要。本項目圍繞多晶冰應變率與溫度相關的力學性能及其變形的微觀機制，通過低溫分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗裝置，測量得到了不同應變率與溫度範圍內的應力應變關係，獲得其應變率與溫度相關的強度、剩餘強度、失效模式等特徵；在實驗數據的基礎上，基於彈塑性本構模型，建立了多晶冰應變率與溫度相關的本構關係；採用分子動力學（MD）模擬，獲得冰在動態變形下分子層次結構的力學行為。 項目執行過程中，主要在以下幾個方面取得了重要的結果： （1）多晶冰強度的複雜應變率與溫度效應： 通過實驗測量，得到了多晶冰在-15~-173oC、應變率102~103s-1範圍內的力學性能。發現-15~80oC範圍內，隨著溫度的降低，多晶凍的強度從約35MPa快速升高到約105MPa，且具有明顯的應變率強化效應；在-125~150oC之間，多晶凍的強度幾乎保持不變，且沒有明顯的應變率效應；繼續降低溫度到-173oC時，多晶凍的強度再次升高到120MPa左右，依然沒有明顯的應變率效應。基於強度的測量結果，建立了多晶冰應變率與溫度相關的彈塑性本構關係，並擬合得到了本構模型參數。 （2）多晶凍的殘餘強度效應： 從多晶凍的動態力學性能測量結果可以看到，與傳統的脆性材料不同，在-15oC時，多晶冰具有較高的殘餘強度，高達10MPa。隨著溫度的降低，殘餘強度快速降低。從多晶凍的失效模式可以看出，殘餘強度主要是冰碎裂成顆粒後，顆粒之間相互摩擦誘導熔化、再結晶導致的。 （3）雜質對多晶冰力學性能的強化效應： 實驗中測量得到了-15oC條件下，含雜質凍的動態力學性能，發現相對於純冰，在相同應變率與溫度下，雜質冰具有更高的強度和更低的殘餘強度，類似顆粒增強的複合材料。 （4）分子層次凍的動態力學性能： 採用分子動力學方法，構建了凍的衝擊動力學模型，研究了不同溫度條件下單晶冰（ice-1h）的動態力學行為。分子模擬結果表明，隨著溫度的降低，凍的屈服強度快速增加。從約60.8MPa（242K）升高至121.7MPa（163K）；相對高溫條件下，壓縮過程中主要發生固液相變行為；而相對低溫條件下，壓縮過程中主要發生固-固相變行為，並且會出現類似位錯滑移的變形機制，導致應力的降低。 項目執行過程中在國內外重要期刊中發表了多篇學術論文，並參加了多次學術會議促進了合作與交流工作。研究
