TA2钛合金绝热剪切破坏特性及应力状态、晶粒度影响

作者:周刚毅 刊名: 上传者:陈季良

【摘要】绝热剪切是爆炸、冲击载荷作用下材料的重要破坏形式之一,普遍存在于弹道冲击、侵彻/贯穿、高速加工成型、切削等与高速变形相关的过程中。本文采用霍普金森动态帽型剪切实验对金属绝热剪切演化特性开展研究,通过宏观力学响应与微观金相分析相结合的方法,分析绝热剪切带的起始、扩展演化过程,探讨了加载应变率、应力状态、合金晶粒度等对绝热剪切带起始及演化的影响。主要研究内容及成果如下:采用理论、数值模拟及实验结合的方法,对帽型剪切试样动态加载过程中剪切区的应力、应变状态进行分析,揭示了只要加载过程试样剪切区应力状态罗德参数μ_σ满足-0.46<μ_σ<0.46,即可方便地当作剪切状态处理得到等效应力,其误差不超过3.4%。实验验证了所设计的帽型剪切实验得到的等效应力—应变曲线与压缩性能实验结果相符合。实验结果显示:剪切试样实验得到的等效应力—应变曲线,能直接反映材料剪切区内从均匀变形到绝热剪切起始、发展过程的力学响应;而动态圆柱压缩实验得到的等效应力—应变曲线不能直观揭示试样内部的绝热剪切带起始、裂纹扩展的力学软化响应特征。对TA2钛合金帽型剪切试样不同加载率下的剪切及破坏特性开展实验研究,结果显示:1)TA2钛合金动态破坏存在两种机制:加载应变率较低(<2500s~(-1))时,材料破坏为非绝热剪切带引起的断裂;在较高加载应变率(>2800s~(-1))时,发生绝热剪切局域化现象,裂纹沿绝热剪切带扩展破坏。2)剪切实验得到应力—应变曲线最大应力处表征绝热剪切起始时刻,而应力—应变曲线应力快速下降的“应力塌陷”表征绝热剪切带贯穿剪切区的时刻;3)从宏观均质连续介质力学角度分析,绝热温升引起的材料热软化不是绝热剪切带起始的临界条件,相反绝热剪切带的形成、发展使得温度急剧上升,因而热软化可能不是造成绝热剪切失稳的主要因素;4)绝热剪切带起始的临界应变随应变率增大而减小,而其相应的塑性功几乎不变,存在一个绝热剪切带起始的临界塑性功W_i,Rittel“冷功”准则有一定的合理性。开展不同压剪角的帽型试样动态剪切实验,探讨应力状态对绝热剪切特性的影响,结果显示:压剪角增大,TA2钛合金绝热剪切带起始应变增大,剪切带形成推迟,即静水压增大不利于绝热剪切带起始和发展。对不同晶粒度的TA2钛合金的绝热剪切特性开展实验研究,结果显示:晶粒度对绝热剪切带起始影响较大,晶粒尺寸减小有利于绝热剪切带起始演化;而绝热剪切带一旦萌生,在其扩展演化过程中,晶粒尺寸的影响并不大。

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宁波大学 博士 2018 TB12 TA2钛合金绝热剪切破坏特性及应力状态、晶粒度影响 Adiabatic Shearing Behavior of TA2 Titanium Alloy and Its Influence of Stress State, Grain Size 周刚毅 董新龙 工程力学 绝热剪切是爆炸、冲击载荷作用下材料的重要破坏形式之一,普遍存在于弹道冲击、侵彻/贯穿、高速加工成型、切削等与高速变形相关的过程中。本文采用霍普金森动态帽型剪切实验对金属绝热剪切演化特性开展研究,通过宏观力学响应与微观金相分析相结合的方法,分析绝热剪切带的起始、扩展演化过程,探讨了加载应变率、应力状态、合金晶粒度等对绝热剪切带起始及演化的影响。主要研究内容及成果如下:采用理论、数值模拟及实验结合的方法,对帽型剪切试样动态加载过程中剪切区的应力、应变状态进行分析,揭示了只要加载过程试样剪切区应力状态罗德参数μ_σ满足-0.46<μ_σ<0.46,即可方便地当作剪切状态处理得到等效应力,其误差不超过3.4%。实验验证了所设计的帽型剪切实验得到的等效应力—应变曲线与压缩性能实验结果相符合。实验结果显示:剪切试样实验得到的等效应力—应变曲线,能直接反映材料剪切区内从均匀变形到绝热剪切起始、发展过程的力学响应;而动态圆柱压缩实验得到的等效应力—应变曲线不能直观揭示试样内部的绝热剪切带起始、裂纹扩展的力学软化响应特征。对TA2钛合金帽型剪切试样不同加载率下的剪切及破坏特性开展实验研究,结果显示:1)TA2钛合金动态破坏存在两种机制:加载应变率较低(<2500s~(-1))时,材料破坏为非绝热剪切带引起的断裂;在较高加载应变率(>2800s~(-1))时,发生绝热剪切局域化现象,裂纹沿绝热剪切带扩展破坏。2)剪切实验得到应力—应变曲线最大应力处表征绝热剪切起始时刻,而应力—应变曲线应力快速下降的“应力塌陷”表征绝热剪切带贯穿剪切区的时刻;3)从宏观均质连续介质力学角度分析,绝热温升引起的材料热软化不是绝热剪切带起始的临界条件,相反绝热剪切带的形成、发展使得温度急剧上升,因而热软化可能不是造成绝热剪切失稳的主要因素;4)绝热剪切带起始的临界应变随应变率增大而减小,而其相应的塑性功几乎不变,存在一个绝热剪切带起始的临界塑性功W_i,Rittel“冷功”准则有一定的合理性。开展不同压剪角的帽型试样动态剪切实验,探讨应力状态对绝热剪切特性的影响,结果显示:压剪角增大,TA2钛合金绝热剪切带起始应变增大,剪切带形成推迟,即静水压增大不利于绝热剪切带起始和发展。对不同晶粒度的TA2钛合金的绝热剪切特性开展实验研究,结果显示:晶粒度对绝热剪切带起始影响较大,晶粒尺寸减小有利于绝热剪切带起始演化;而绝热剪切带一旦萌生,在其扩展演化过程中,晶粒尺寸的影响并不大。 Adiabatic shear localization is an important and often dominating deformation and failure mechanism of materials under explosive and impact loading,and plays a particularly significant role in a variety of engineering fields,such as ballistic impact,penetration/perforation,high-speed machining and cutting,etc.In

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