高應(yīng)變率下韌性碎裂的實驗和理論研究

總結(jié)前期研究成果，提出了材料在高應(yīng)變率拉伸載荷作用下的最快速卸載理論，可以較好的預(yù)測韌性碎裂和脆性碎裂過程中產(chǎn)生的碎片尺寸；建立了液壓沖擊膨脹環(huán)實驗平臺，包括實驗裝置、測試技術(shù)和診斷技術(shù)；研究了典型韌性碎裂過程及應(yīng)變率、損傷演化規(guī)律、初始缺陷等因素對碎裂過程的影響；采用流固耦合的有限元方法模擬了韌性材料的拉伸碎裂過程，采用離散顆粒動力學(xué)方法模擬了脆性材料的拉伸碎裂過程；開展了粘彈性材料和脆性材料在高應(yīng)變率拉伸載荷作用下的碎裂過程的實驗研究。 2100433B

固體在沖擊載荷下的動態(tài)碎裂現(xiàn)象具有很強的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。碎裂過程與材料的韌性、應(yīng)變率、以及缺陷等密切相關(guān)。本項目建立一個基于分離式Hopkinson壓桿的沖擊膨脹環(huán)實驗平臺，實驗研究典型韌性金屬圓環(huán)在沖擊拉伸載荷作用下的碎裂過程，研究斷裂能、加載速率、初始缺陷等因素對一維碎片尺寸及尺寸分布的影響；進一步，面向工程應(yīng)用，分析和模擬卸載波在二維等軸拉伸過程中的傳播規(guī)律，建立二維碎裂尺寸模型。研究成果將加深人們對韌性沖擊碎裂過程的理解，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

沖擊韌度是通過沖擊實驗來測定的。這種實驗在一次沖擊載荷作用下顯示試件缺口處的力學(xué)特性（韌性或脆性）。雖然試驗中測定的沖擊吸收功或沖擊韌度，不能直接用于工程計算，但它可以作為判斷材料脆化趨勢的一個定性指標，還可作為檢驗材質(zhì)熱處理工藝的一個重要手段，這是因為它對材料的品質(zhì)、宏觀缺陷、顯微組織十分敏感，而這點恰是靜載實驗所無法揭示的。

沖擊韌性類型及名稱

測定沖擊韌度的試驗方法有多種。國際上大多數(shù)國家所使用的常規(guī)試驗為簡支梁式的沖擊彎曲試驗。在室溫下進行的實驗一般采用GB/T229-1994標準《金屬夏比沖擊試驗方法》，另外還有“低溫夏比沖擊實驗”，“高溫夏比沖擊實驗”。由于沖擊實驗受到多種內(nèi)在和外界因素的影響。要想正確反映材料的沖擊特性，必須使用沖擊實驗方法和設(shè)備標準化、規(guī)范化，為此我國制定了金屬材料沖擊實驗的一系列國家標準（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。

沖擊韌性實驗設(shè)備

沖擊試驗機、游標卡尺

沖擊韌性實驗原理

沖擊試驗利用的是能量守恒原理，即沖擊試樣消耗的能量是擺錘試驗前后的勢能差。試驗時，把試樣放在圖2-28的B處，將擺錘舉至高度為H的A處自由落下，沖斷試樣即可。擺錘在A處所具有的勢能為：

E=GH=GL（1-cosα）

沖斷試樣后，擺錘在C處所具有的勢能為：

E1=Gh=GL（1-cosβ）。

勢能之差E-E1，即為沖斷試樣所消耗的沖擊功AK:AK=E-E1=GL（cosβ-cosα）

式中，G為擺錘重力（N）；L為擺長（擺軸到擺錘重心的距離）（mm）；α為沖斷試樣前擺錘揚起的最大角度；β為沖斷試樣后擺錘揚起的最大角度。

沖擊韌性實驗步驟

1.測量試樣的幾何尺寸及缺口處的橫截面尺寸。

2.根據(jù)估計材料沖擊韌性來選擇試驗機的擺錘和表盤。

3.安裝試樣。

4.進行試驗。將擺錘舉起到高度為H處并鎖住，然后釋放擺錘，沖斷試樣后，待擺錘揚起到最大高度，再回落時，立即剎車，使擺錘停住。

5.記錄表盤上所示的沖擊功AKU值。取下試樣，觀察斷口。試驗完畢，將試驗機復(fù)原。

6.沖擊試驗要特別注意人身的安全。

沖擊韌性實驗結(jié)果處理

計算沖擊韌性值。

在實際應(yīng)用中，材料的受載變形乃至破壞一般是處于任意應(yīng)力狀態(tài)下，即同時受到縱向和橫向的載荷作用，伴隨著拉（壓）和剪切應(yīng)力的復(fù)合加載。材料在這種復(fù)合加載下的本構(gòu)響應(yīng)常常不同于理想加載條件下的情況，研究這種情況下的材料本構(gòu)，對正確和全面認識材料性質(zhì)具有更重要的現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)價值，而目前還沒有一種方便有效的實驗技術(shù)能進行相關(guān)的實驗研究。本項目希望通過改進分離式Hopkinson桿（SHB）來實現(xiàn)高應(yīng)變率（平面）壓剪復(fù)合加載，為研究材料在高應(yīng)變率復(fù)雜應(yīng)力下的本構(gòu)關(guān)系提供新的實驗技術(shù)。將建立一種全新的實驗和分析手段，能有效用于材料在動態(tài)壓剪復(fù)合加載下的本構(gòu)行為研究。主要內(nèi)容有，探索和建立實現(xiàn)平面壓剪復(fù)合加載的SHB實驗技術(shù)；建立實驗中相關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的測試方法，尤其是剪切應(yīng)力的測試技術(shù)；建立實驗數(shù)據(jù)處理與試樣材料性質(zhì)分析的理論體系。為研究材料在動態(tài)復(fù)雜應(yīng)力作用下的本構(gòu)行為奠定實驗基礎(chǔ)。 2100433B

高應(yīng)變率下金屬的形變逐漸不均勻，破壞的典型形式是形成絕熱剪切帶ASB，剪切帶的形成伴隨局部區(qū)域出現(xiàn)高度取向擇優(yōu)，通過連續(xù)式動態(tài)再結(jié)晶方式或因絕熱升溫再激冷發(fā)生相變形成白亮帶，并繼而誘發(fā)裂紋。新型高錳TRIP鋼具有優(yōu)異的強塑積值，優(yōu)于TWIP鋼的高應(yīng)變量下的加工硬化能力，適合于汽車高速抗沖擊結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。本申請計劃從晶體學(xué)的角度、研究高速變形條件下相變誘發(fā)塑性（TRIP）過程在絕熱剪切帶形成中的作用及可能出現(xiàn)的多次增韌性。具體講就是研究：高速下均勻變形時的TRIP行為，由TRIP組織過渡到ASB、再從ASB內(nèi)組織演變直至斷裂的演變規(guī)律；同時考察合金成分、初始組織、形變方式對TRIP機制下的ASB形成的影響；在理論上揭示高應(yīng)變率下相變誘發(fā)塑性在絕熱剪切帶形成中的機理，在應(yīng)用上優(yōu)化出工藝參數(shù)及成分，為新型高錳TRIP鋼在汽車上的應(yīng)用及控制技術(shù)提供依據(jù)。