高速衝擊下金屬材料剪下失效特性實驗-模擬方法研究

《高速衝擊下金屬材料剪下失效特性實驗-模擬方法研究》是依託北京理工大學,由許澤建擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:高速衝擊下金屬材料剪下失效特性實驗-模擬方法研究
  • 依託單位:北京理工大學
  • 項目負責人:許澤建
  • 項目類別:青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

絕熱剪下失穩是金屬材料在衝擊載荷下的重要失效形式,為研究超過10^5 /s應變率下的衝擊剪下行為,一般採用高速壓剪飛片技術實現對材料的動態載入,但該技術因自身存在諸多弊端而給材料高應變率剪下下的失效問題研究帶來了很大困難。針對該問題,本項目在合理設計剪下試樣的基礎上,結合相對成熟的動態測試和數值模擬技術提出了一種新型實驗-模擬研究方法。實驗方面,利用SHPB和高速飛片技術實現對材料的動態剪下載入和力學性能測試,同時利用高速攝影和金相分析等手段,對絕熱剪下帶的形成過程和材料的微觀組織演化進行研究;數值模擬方面,基於實驗測得的本構關係和狀態方程,對材料的衝擊剪下實驗進行動態模擬,獲得材料在高應變率(>10^5 /s)下接近純剪下狀態的力學回響,並結合高速攝影和微觀分析結果確定絕熱剪下帶萌生和發展的力學條件。本項目將為工程材料的高應變率剪下特性和失效機理研究提供新的測試方法和手段。

結題摘要

工程結構在服役期間難免受到由爆炸、衝擊引起的強動態載荷的作用。在諸如此類的極端載荷條件下,應變率可達104 s-1以上,金屬材料極易發生由絕熱剪下引起的變形與失效。因此,衝擊剪下實驗成為研究材料在高應變率、大變形條件下的塑性力學行為的重要研究方法和測試手段。但是相對於軸向拉伸或壓縮實驗而言,材料在衝擊剪下下實驗技術因其自身複雜性而發展較慢。傳統Hopkinson桿技術只能實現104 s-1應變率以內的載入;在更高的應變率下,一般採用氣炮或高速壓剪飛片技術作為載入手段,但以上方法技術複雜,而且不易於對實驗溫度進行定量控制,因而難以被普遍採用。因此,目前尚缺少可在104 -105 s-1應變率範圍對材料力學行為進行方便、有效測試的實驗技術。 針對以上問題,本研究基於傳統SHPB技術提出了一種新型衝擊剪下載入技術,通過對新型雙剪下試樣及配套夾具的設計,使Hopkinson桿系統可以實現的剪應變率接近105 s-1,剪應變達到2以上,同時可方便、準確地獲得材料的衝擊剪下性能。結合單脈衝載入技術,可以避免應力波對試樣的重複載入,便於對材料微觀組織演化的觀察研究。此外,採用DIHPB技術對雙剪下試樣進行載入可以進一步獲得超過105 s-1剪應變率。通過高速攝影技術可以對剪下區的變形及失效過程進行直接觀察,便於對材料在高速衝擊下的剪下行為及失效機理進行研究。基於以上載入技術,多種金屬材料進行了不同載入條件下的力學性能測試,獲得了材料的J-C本構模型。利用數值模擬技術,對高應變率下的載入過程進行了模擬,分析了材料的受力情況,並獲得了材料的力學回響。同時,採用金相分析技術對材料在不同載荷條件下的失效模式進行研究,並獲得了材料微觀組織演化規律。 該方法在成功實現材料衝擊剪下力學性能測試的同時,使得Hopkinson桿技術的應變率和應變測試範圍均得到了較大程度的提升,為材料在高應變率、大變形環境下的力學行為研究提供了方便、有效的測試手段,因而具有重要的科學意義和工程價值。

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