高應變率與大載荷下納米晶銅形成的細觀機理研究結題摘要

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，以此為基礎擬合確定納米晶銅的Johnson-Cook本構參數(shù)，并借助于LS-DYNA3D有限元程序對爆炸加載過程進行數(shù)值模擬，以此為基礎分析應變、應變率因素對晶粒細化程度的影響。最后，以實驗結果為依據(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；以實驗結果配合計算結果，探討爆炸加載法對納米晶形成的細觀機理。 通過研究結果表明：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，結合實驗結果得出應變、應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，并可在更大應變率范圍和更大應變范圍內實現(xiàn)粗晶銅的納米晶化。重點解決以下三個問題：（1）定量表征不同應變率、不同應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關系并確定相關參數(shù)，以有限元法模擬熱力耦合的晶粒演變行為，探索應變率、應變、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和數(shù)字信息計算機實時處理技術，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)?；谏Ⅲw介質顆粒流理論及其分析方法等細觀力學手段，分析滲流與土介質的共同作用及滲流的貼壁擠土效應，深入研究管涌形成過程的細觀力學機理。建立關于管涌形成和發(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，為管涌險情的預測和治理提供參考意見。本研究成果對防洪減災具有重要意義。 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用，研究混凝土在強動載荷下（如高速侵徹或爆炸）的響應和破壞問題對武器、防護結構的設計和評估具有重要意義。本項目擬建立混凝土新的3D細觀力學模型和構建一個不僅考慮各種因素的影響而且方便計算應用的混凝土動態(tài)本構模型來研究混凝土在沖擊載荷下的響應和破壞。主要研究內容如下：（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）在兩相模型的基礎上利用單元重構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模型；（4）利用新建的細觀力學模型和本構關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模型的正確性。