高應(yīng)變率與大載荷下納米晶銅形成的細觀機理研究

自從德國科學家H.Gleiter首次成功地制備出具有清潔界面的納米晶體材料以來，對于納米晶體材料的制備方法、材料特性、變形機制以及實際應(yīng)用等各方面的研究都已取得了重大進展，納米晶體材料已經(jīng)成為目前凝聚態(tài)物理學與材料科學等學科領(lǐng)域的一個重點研究方向。 本項目采用爆炸動態(tài)加載使粗晶銅發(fā)生高應(yīng)變率塑性大變形的方法制備出了納米晶銅，并開展了以下研究工作。首先，在實驗上，對厚度為20mm和60mm兩種圓柱純銅件分別采用不同的裝藥厚度沿軸向進行了爆炸加載，然后采用日本理學公司的D/Max2500VL/PC型陽極轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀分別對爆炸加載實驗后的試件進行了X射線衍射分析，對試件的晶粒平均尺寸進行了檢測。其次，通過采用MTS810材料試驗機和Φ14.5mm的霍普金森壓桿分別對納米晶銅的準靜態(tài)及動態(tài)力學性能進行實驗研究，以此為基礎(chǔ)擬合確定納米晶銅的Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)，并借助于LS-DYNA3D有限元程序?qū)Ρ虞d過程進行數(shù)值模擬，以此為基礎(chǔ)分析應(yīng)變、應(yīng)變率因素對晶粒細化程度的影響。最后，以實驗結(jié)果為依據(jù)，從宏觀角度建立沖擊絕熱壓縮過程中的整體升溫機制，從細觀角度建立微尺度下的材料學現(xiàn)象同細觀傳熱相耦合的晶粒溫升計算模型；以實驗結(jié)果配合計算結(jié)果，探討爆炸加載法對納米晶形成的細觀機理。 通過研究結(jié)果表明：采用爆炸動態(tài)加載法可以成功制備出納米晶銅，并且數(shù)值模擬可以有效地描述試件的爆炸加載沖擊壓縮過程，結(jié)合實驗結(jié)果得出應(yīng)變、應(yīng)變率的增加有利于晶粒的細化。通過對于宏觀整體溫升以及細觀局域溫升的理論計算，得出爆炸動態(tài)加載下納米晶銅具有很好的熱穩(wěn)定性。通過采用透射電鏡（TEM）觀察分析，該方法下晶粒的細化機制為位錯運動和變形孿晶共同作用的結(jié)果。 2100433B

首次提出爆炸加載制備納米晶銅的方法，該方法可避免外來污染，并可在更大應(yīng)變率范圍和更大應(yīng)變范圍內(nèi)實現(xiàn)粗晶銅的納米晶化。重點解決以下三個問題：（1）定量表征不同應(yīng)變率、不同應(yīng)變對晶粒細化程度的影響；（2）以絕熱壓縮和沖擊波耗散引起的整體升溫機制為基礎(chǔ)建立宏觀溫升計算模型，從細觀角度將晶粒的變形、晶格的畸變、位錯演化、孿晶形成等材料學現(xiàn)象同微納米尺度傳熱相結(jié)合，研究爆炸加載下晶粒組織的演變過程和納米晶形成規(guī)律；（3）改進晶粒和晶界本構(gòu)關(guān)系并確定相關(guān)參數(shù)，以有限元法模擬熱力耦合的晶粒演變行為，探索應(yīng)變率、應(yīng)變、細觀傳熱、材料特性、載荷特性等因素對晶粒細化機制的影響。本項目的開展將促進爆炸與沖擊動力學和材料學的學科交叉。對納米晶形成的細觀機理的研究，有利于使該技術(shù)向更精細的方向發(fā)展，與現(xiàn)代材料學的精細程度相吻合。

本項目利用先進的數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字信息計算機實時處理技術(shù)，進行堤壩的滲透模型試驗，攝錄土顆粒的移動軌跡，確定形成管涌的臨界參數(shù)。基于散體介質(zhì)顆粒流理論及其分析方法等細觀力學手段，分析滲流與土介質(zhì)的共同作用及滲流的貼壁擠土效應(yīng)，深入研究管涌形成過程的細觀力學機理。建立關(guān)于管涌形成和發(fā)展規(guī)律的細觀理論模型，利用并開發(fā)PFC2D軟件對管涌形成與發(fā)展過程中土顆粒的移動規(guī)律進行細觀仿真模擬。結(jié)合堤防工程的管涌險情實例進行分析研究，為管涌險情的預(yù)測和治理提供參考意見。本研究成果對防洪減災(zāi)具有重要意義。 2100433B

混凝土作為一種建筑材料在國防和土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用，研究混凝土在強動載荷下（如高速侵徹或爆炸）的響應(yīng)和破壞問題對武器、防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和評估具有重要意義。本項目擬建立混凝土新的3D細觀力學模型和構(gòu)建一個不僅考慮各種因素的影響而且方便計算應(yīng)用的混凝土動態(tài)本構(gòu)模型來研究混凝土在沖擊載荷下的響應(yīng)和破壞。主要研究內(nèi)容如下：（1）利用基骨料向外隨機延拓的方法生成骨料形狀不同的3D兩相混凝土細觀力學模型；（2）在兩相模型的基礎(chǔ)上利用單元重構(gòu)的方法在骨料和基體之間創(chuàng)建ITZ層單元獲得3D三相混凝土細觀力學模型；（3）建立考慮各種因素的混凝土本構(gòu)模型；（4）利用新建的細觀力學模型和本構(gòu)關(guān)系研究混凝土抗侵徹和抗爆炸能力以及破壞形貌；（5）通過實驗驗證細觀力學模型和本構(gòu)模型的正確性。