高應(yīng)變率下韌性碎裂的實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)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(duì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)研究。 2100433B

固體在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)碎裂現(xiàn)象具有很強(qiáng)的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)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(xiàng)目建立一個(gè)基于分離式Hopkinson壓桿的沖擊膨脹環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)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(duì)一維碎片尺寸及尺寸分布的影響；進(jìn)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(duì)韌性沖擊碎裂過程的理解，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

沖擊韌度是通過沖擊實(shí)驗(yàn)來測(cè)定的。這種實(shí)驗(yàn)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(yàn)中測(cè)定的沖擊吸收功或沖擊韌度，不能直接用于工程計(jì)算，但它可以作為判斷材料脆化趨勢(shì)的一個(gè)定性指標(biāo)，還可作為檢驗(yàn)材質(zhì)熱處理工藝的一個(gè)重要手段，這是因?yàn)樗鼘?duì)材料的品質(zhì)、宏觀缺陷、顯微組織十分敏感，而這點(diǎn)恰是靜載實(shí)驗(yàn)所無法揭示的。

沖擊韌性類型及名稱

測(cè)定沖擊韌度的試驗(yàn)方法有多種。國際上大多數(shù)國家所使用的常規(guī)試驗(yàn)為簡(jiǎn)支梁式的沖擊彎曲試驗(yàn)。在室溫下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)一般采用GB/T229-1994標(biāo)準(zhǔn)《金屬夏比沖擊試驗(yàn)方法》，另外還有“低溫夏比沖擊實(shí)驗(yàn)”，“高溫夏比沖擊實(shí)驗(yàn)”。由于沖擊實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，為此我國制定了金屬材料沖擊實(shí)驗(yàn)的一系列國家標(biāo)準(zhǔn)（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。

沖擊韌性實(shí)驗(yàn)設(shè)備

沖擊試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺

沖擊韌性實(shí)驗(yàn)原理

沖擊試驗(yàn)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(yàn)前后的勢(shì)能差。試驗(yàn)時(shí)，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(shì)能為：

E=GH=GL（1-cosα）

沖斷試樣后，擺錘在C處所具有的勢(shì)能為：

E1=Gh=GL（1-cosβ）。

勢(shì)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(zhǎng)（擺軸到擺錘重心的距離）（mm）；α為沖斷試樣前擺錘揚(yáng)起的最大角度；β為沖斷試樣后擺錘揚(yáng)起的最大角度。

沖擊韌性實(shí)驗(yàn)步驟

1.測(cè)量試樣的幾何尺寸及缺口處的橫截面尺寸。

2.根據(jù)估計(jì)材料沖擊韌性來選擇試驗(yàn)機(jī)的擺錘和表盤。

3.安裝試樣。

4.進(jìn)行試驗(yàn)。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(yáng)起到最大高度，再回落時(shí)，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(yàn)完畢，將試驗(yàn)機(jī)復(fù)原。

6.沖擊試驗(yàn)要特別注意人身的安全。

沖擊韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

計(jì)算沖擊韌性值。

在實(shí)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(shí)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(duì)正確和全面認(rèn)識(shí)材料性質(zhì)具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值，而目前還沒有一種方便有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)能進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。本項(xiàng)目希望通過改進(jìn)分離式Hopkinson桿（SHB）來實(shí)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(shí)驗(yàn)技術(shù)。將建立一種全新的實(shí)驗(yàn)和分析手段，能有效用于材料在動(dòng)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(shí)現(xiàn)平面壓剪復(fù)合加載的SHB實(shí)驗(yàn)技術(shù)；建立實(shí)驗(yàn)中相關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的測(cè)試方法，尤其是剪切應(yīng)力的測(cè)試技術(shù)；建立實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)復(fù)雜應(yīng)力作用下的本構(gòu)行為奠定實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(qiáng)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(qǐng)計(jì)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(shí)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(shí)考察合金成分、初始組織、形變方式對(duì)TRIP機(jī)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(jī)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)。