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镧的冲击压缩与拉伸本构特性研究

作　者: 蔡灿元
导　师: 陈大年
学　校: 宁波大学
专　业: 工程力学
关键词: 金属镧高应变率压缩拉伸本构方程动态断裂
分类号: TG146.45
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文研究了金属镧的冲击压缩与拉伸本构特性，主要的内容与创新点如下：1)基于Hopkinson压缩试验的首次压缩脉冲，确定并检验了金属镧杆件材料的高应变率（低压）本构方程：基于准静态杆件的准静态压缩及Hopkinson试验首次的压缩脉冲，在分离应变率与温度效应的实验构想下，分别考虑由材料微观组织演变产生的应变率效应以及由加温软化产生的温度效应，确定了高应变率（低压）时金属镧的J-C型本构方程。采用数值模拟的方法，对所构建的本构方程进行代入校核。结果表明，数值模拟的SHPB的反射、透射波形与Hopkinson压缩试验波形基本一致。2)把所构建的金属镧高应变率（低压）本构方程外延到大应变：采用高速摄影，记录了金属镧试件在Hopkinson压缩试验多次压缩脉冲波作用下发生的大变形过程。假设金属镧在多次冲击压缩下的高应变率（低压）本构方程的函数形式具有某种不变性，通过数值模拟，调整本构方程参数，使数值模拟的金属镧试件在单次Hopkinson压缩试验的多次冲击压缩下的大变形与试验记录的结果一致，从而把金属镧的高应变率（低压）本构方程外延到大应变。结果表明，金属镧在单次Hopkinson压缩试验的多次冲击压缩下，其本构方程中的应变硬化指数发生明显改变。3)揭示了金属镧多次Hopkinson压缩试验后的本构性态：对第一次Hopkinson压缩试验后变形较小且均匀的金属镧试件，进行了第二次Hopkinson压缩试验。在两次Hopkinson压缩试验过程中，本构方程中除应变硬化因子起变化外，初始屈服应力及应变硬化系数也发生较大变化，这是由于第二次Hopkinson压缩试验时，金属镧的材料状态已改变。对于两次SHPB试验后回收试样的微观观察也表明，试样的微观组织形态与其所处的应力状态密切相关。然而，从这些微结构演化，解释本构方程的不同也是极其困难的。事实上，从微细观层次解释或表达宏观的规律（例如本构方程），还有很长的研究历程，目前仅有简单的实例（例如Z-A本构模型）。4)针对金属镧板条试件，研究了Hopkinson拉伸试验的实验方法：一方面，在试件与杆件理想联接的情况下，对Hopkinson拉伸试验进行全过程数值模拟，优化了试验条件，使试件内应力应变处于均匀状态，满足Hopkinson试验的基本假设。从而合理确定了Hopkinson拉伸试验中金属镧板条试件的形状与尺寸：试件长宽比应为1.25~4，过渡端半径应为试件宽度的1/2。另一方面，对试件与杆件的联接方式进行优化，数值模拟结果表明：使用与入射杆、透射杆波阻抗相近的圆杆形试件与杆件间的夹具，对试验波形的影响较小；板条试件与特制夹具间采用胶粘，并加销钉可使联接既无滑移，又无局域化塑性变形，取得较好的试验结果。5)基于Hopkinson拉伸试验的首次（部分）拉伸脉冲，确定并检验了金属镧板条材料的高应变率拉伸本构方程：结合金属塑性理论的最近研究进展，我们以研究金属镧板条的Hopkinson拉伸试验，凸显高应变率本构方程的罗德角相关性，依据Hopkinson拉伸试验波形，我们发现在Hopkinson拉伸试验中，金属镧试件在首次冲击拉伸脉冲中即发生了断裂。通过改变数值计算中的断裂应变值，使试验波形与数值计算波形相符合，并可以确定金属镧试件在Hopkinson拉伸试验中的断裂应变。基于金属镧的准静态拉伸试验与Hopkinson拉伸试验首次部分拉伸脉冲，得到常温下，不同应变率下的应力-应变曲线，构建了金属镧高应变率拉伸的经验性J-C型本构方程。6)基于应变率对脆性断裂的效应，研究了金属镧的动态拉伸断裂的机理：我们对准静态及Hopkinson拉伸试验断裂的试件进行了回收观测，发现随着拉伸应变率的提高，断裂应变随应变率提高而增大。扫描电镜观察发现，随拉伸应变率的提高，金属镧试件的断裂模式有从解理断裂向延性断裂过渡的趋向。在高应变率拉伸断裂的试件中，可见到空穴的成核、增长与聚集。在相当低的加载速率，拉伸应力的增加是低的，相当少的缺陷被激活，断裂传播距离是大的，产生的碎片相应地是大的。相反，在高加载速率，拉伸应力提高，较多的缺陷被激活。因此，断裂传播的距离较短，崩溃时间较短，碎片尺寸较小。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 引言  10-15
  1.1 选题背景与意义  10
  1.2 研究现状分析  10-12
  1.3 本文主要研究内容  12-15
2 金属镧的高应变率（低压）本构方程  15-37
  2.1 镧的冲击压缩本构方程的实验确定  15-21
    2.1.1 Hopkinson 压杆试验装置与原理  15-18
    2.1.2 镧的冲击压缩本构方程的实验确定  18-21
  2.2 镧的冲击压缩本构方程的检验与外延  21-26
    2.2.1 镧的冲击压缩本构方程的检验  21-23
    2.2.2 镧的冲击压缩本构方程的外延  23-26
  2.3 镧的多次压缩试验以及本构方程  26-31
  2.4 SHPB 试验回收试件微观形貌观察  31-34
  2.5 本章小结  34-37
3 Hopkinson 拉伸试验方法研究  37-62
  3.1 Hopkinson 拉伸试验的优化设计  37-49
    3.1.1 Hopkinson 拉伸试验总体全过程数值模拟  39-47
    3.1.2 Hopkinson 试件过渡端优化  47-49
  3.2 Hopkinson 拉伸试验的实验技术  49-60
    3.2.1 试件尺寸效应  50-54
    3.2.2 夹具设计  54-58
    3.2.3 螺纹和胶粘连接  58-59
    3.2.4 优化后 Hopkinson 拉伸装置的检验  59-60
  3.3 本章小结  60-62
4 金属镧的高应变率拉伸本构方程与断裂研究  62-83
  4.1 镧的冲击拉伸本构方程的实验确定与检验  62-73
    4.1.1 镧的冲击拉伸本构方程的实验确定  62-68
    4.1.2 镧的冲击拉伸本构方程的检验  68-73
  4.2 镧的冲击拉伸断裂特性分析  73-82
    4.2.1 金属镧试件在不同应变率下的断口形貌分析  74-78
    4.2.2 金属镧的断裂特性分析  78-82
  4.3 本章小结  82-83
5 结论与展望  83-87
  5.1 结论  83-85
  5.2 展望  85-87
参考文献  87-93
在学研究成果  93-94
致谢  94

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