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冲击载荷下细晶钨合金绝热剪切带的有限元模拟

作　者: 郑春晓
导　师: 熊湘君
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 细晶钨合金 绝热剪切带 有限元模拟 绝对温升
分类号: TG146.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


基于Johnson-Cook本构模型研究钨合金的本构关系,并对拟合结果进行了验证分析。采用ANSYS-LS/DYNA有限元软件,模拟了温度(298K～623K)和应变率(102～103s-1)范围内传统粗晶93W-4.9Ni-2.1Fe和两种晶粒尺寸不同的93W-4.9Ni-2.1Fe+0.03%Y分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实验下的力学行为。分析绝热剪切带(ASB)的萌生和扩展,比较晶粒尺寸和添加稀土元素Y对绝热剪切敏感性的影响。(1)利用最小二乘法拟合了JC模型的参数,实验值和预测值的最大相对误差为10%。由于极限强度和应变率是近似指数关系,对模型中的应变率敏感系数C进行了修正,修正后预测结果与实验数据吻合度好,最大相对误差为-3.4%。(2)当应变率大于1100s-1时,应力达到最大值后迅速下降至峰值的80%以上,出现了ASB,材料无裂纹出现。当应变率大于2340s-1时,下冲击面的单元沿着与挤压方向呈45。变形失效,最后材料在剪切带处发生断裂。高温条件下,所形成的ASB与室温下的形状差异不大,但是室温下ASB的萌生时间提前了。(3)通过比较三种钨合金的模拟结果可以得出,细晶钨合金93W-4.9Ni-2.1Fe+0.03%Y(90min)在相同的条件下更易于形成ASB,晶粒细化和添加稀土元素由于能够降低动态变形中的硬化效应,同时减低了绝热剪切形成所需要的临界剪切应变Yc,所以能够提高材料的绝热剪切敏感性。细晶钨合金的绝热剪切失稳与绝热温升、晶粒尺寸

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 文献综述  8-24
  1.1 高比重钨合金  8-9
  1.2 绝热剪切带现象  9-15
    1.2.1 绝热剪切带的萌生和材料的失效  9-11
    1.2.2 提高绝热剪切失稳的方法  11-15
  1.3 冲击问题的数值模拟  15-19
    1.3.1 分离式霍普金森压杆  15-16
    1.3.2 数值模拟  16-19
  1.4 本构模型  19-22
    1.4.1 Johnson-Cook模型(JC)  20-21
    1.4.2 Zerilli-Armstrong模型(Z-A)  21
    1.4.3 Bodner-Partom模型(B-P)  21-22
  1.5 失效模型  22
  1.6 研究内容及意义  22-24
2 研究方案  24-27
  2.1 研究内容  24
  2.2 实验过程  24-25
    2.2.1 粉末制备  24-25
    2.2.2 冷等静压  25
    2.2.3 预烧与烧结  25
    2.2.4 真空热处理  25
    2.2.5 快速-热挤压塑性变形强化  25
  2.3 检测分析  25-27
    2.3.1 准静态力学性能测试  26
    2.3.2 室温动态力学性能测试  26
    2.3.3 高温动态力学性能测试  26
    2.3.4 显微硬度测试  26
    2.3.5 显微组织观察  26-27
3 细晶钨合金的动态流变行为和本构方程方程  27-42
  3.1 SHPB实验和数据获取  27-30
    3.1.1 SHPB实验原理  27-28
    3.1.2 实验数据的获取  28-29
    3.1.3 SHPB高温实验  29-30
  3.2 钨合金动态实验数据分析  30-32
    3.2.1 室温下钨合金的动态力学行为  31-32
    3.2.2 高温下钨合金的动态力学行为  32
  3.3 Johnson-Cook模型(JC)  32-39
    3.3.1 确定Johnson-Cook模型参数  33-35
    3.3.2 Johnson-Cook模型的修正形式  35-36
    3.3.3 实验数据与拟合数据的比较  36-39
  3.4 JC模型参数对绝热剪切敏感性的影响  39-40
  3.5 本章小结  40-42
4 SHPB实验的有限元模拟  42-60
  4.1 建立有限元模型  42-45
    4.1.1 建立SHPB几何模型  42-43
    4.1.2 划分网格  43-44
    4.1.3 载荷施加  44-45
  4.2 绝热剪切带的萌生与扩展过程  45-53
    4.2.1 室温下的动态加载  45-51
    4.2.2 环境测试温度下的动态加载  51-53
  4.3 绝热剪切失稳机制  53-57
    4.3.1 晶粒尺寸对绝热剪切敏感性的影响  53-56
    4.3.2 稀土元素的影响  56-57
  4.4 实验值和模拟值的比较  57-59
  4.5 本章小结  59-60
5 结论  60-62
参考文献  62-67
攻读学位期间主要的研究成果  67-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 稀有金属及其合金 > 难熔稀有金属（高温熔融金属） > 钨
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