衝擊載荷作用下鐵基合金相變的相場方法研究

《衝擊載荷作用下鐵基合金相變的相場方法研究》是依託北京理工大學，由郭香華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊載荷作用下鐵基合金相變的相場方法研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：郭香華
• 項目類別：面上項目

項目摘要

相場方法是研究材料相變等微結構演化過程的有效途徑之一，在物理和材料科學領域取得了成功套用。然而，由於沒有考慮動態載荷及塑性與相變的耦合作用，目前的相場方法在力學學科特別是衝擊動力學中套用較少。本項目通過建立考慮塑性變形和材料相變耦合效應的相場方法來研究鐵基合金在衝擊載荷作用下的材料微結構形態演化過程，對提高國防領域結構材料的安全性有重要意義。以理論模型分析和數值計算為主要手段，用所發展的相場方法分析合金材料相變過程中的全場應力分布，並研究應力、應變、應變率和溫度等因素對塑性變形及馬氏體相形核、生長演化等的影響，並對合金材料衝擊相變機理進行研究。實現鐵基合金衝擊相變中馬氏體相形態演化與塑性區擴展的真正意義上的耦合作用，為新材料合成和改性等提供科學依據。同時，本項目中相場方法高效高精度算法研究有助於發展材料微結構演化的模擬計算和仿真工具。

結題摘要

金屬材料在高速衝擊作用下的相變特徵研究具有較重要的科學意義，其在國防領域也有較廣闊的套用前景。相場方法是材料科學中研究材料微結構演化的有力工具之一，本項目旨在發展相場方法，用於研究鐵基合金在超高速衝擊作用下的 alpha-epsilon相變演化過程，並建立相變演化過程與壓力、粒子速度等變化規律。 項目的研究內容主要包含以下幾個方面：一、建立以特徵場變數描述的馬氏體相變系統熵泛函；二、發展相變與塑性耦合作用的相場方法；三、研究鐵基合金在衝擊載荷作用下馬氏體形核、生長等微結構演化過程，深入探索鐵基合金在衝擊載荷作用下的相變機理；四、研究適合於衝擊相變相場模型的高效、高精度算法。 衝擊相變是一個複雜的熱力學過程，在大多數情況下伴隨著明顯的溫升。基於熵泛函熱力學一致性建立了空氣衝擊波載入相場模型，分析了4馬赫一維衝擊波在空氣中傳播過程中熱力學參量的時空變化。與理論模型描述的波陣面附近參量的突變性不同，相場模型計算的參量在波陣面附近變化劇烈且連續，但兩者的趨勢是一致的。引入相變方程，建立了鐵基合金衝擊載入的相場模型，研究了多晶鐵的衝擊相變機理和特徵。相場方法模擬的鐵基合金衝擊Hugoniot曲線與實驗結果基本一致，說明所發展的相場模型及採用的材料參數是可靠的。相場模擬可以得到材料密度、粒子速度、衝擊波速、相變波速、壓力和溫度的時空變化過程。在一定壓力下，衝擊波波陣面與相變界面發生了分離，衝擊波波陣面在前，相變界面在後，形成了特有的雙波結構。當衝擊壓力變大時，波後粒子速度變大，相變波可能追上衝擊波而匯合為一個衝擊波。在自由面處反射為稀疏波而形成載入卸載過程，相場模擬能夠較好地再現加卸載過程中的波系傳播和相互作用，有助於深入理解鐵基合金衝擊相變作用機理。當然，經過適當修改，所發展的相場方法也可使用於其他高溫高壓下的材料微結構演化過程。