【摘要】：鎂合金是目前世界上可工程化應(yīng)用的輕金屬結(jié)構(gòu)材料之一,大規(guī)模應(yīng)用于航空航天、汽車構(gòu)件、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域,在其服役過程中不可避免會受到?jīng)_擊載荷的作用。數(shù)值模擬技術(shù)是目前研究材料及結(jié)構(gòu)在爆炸、高速沖擊等動態(tài)載荷作用下力學(xué)行為的重要研究手段之一,而數(shù)值模擬技術(shù)中最為關(guān)鍵的問題是如何獲得一個能真實反映材料響應(yīng)的本構(gòu)模型。然而,由于鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其微觀變形機理十分復(fù)雜,其沖擊動態(tài)本構(gòu)模型的構(gòu)建非常困難。近年來,已有不少學(xué)者基于對鎂合金的沖擊動態(tài)實驗研究結(jié)果,建立了鎂合金的沖擊動態(tài)本構(gòu)模型,然而已建立的模型主要是宏觀唯象模型,缺乏對材料微觀物理機理的考慮,預(yù)測能力有限。雖然也有少部分鎂合金動態(tài)本構(gòu)模型是基于微觀變形機理來建立的,但這些模型依舊存在著變形機制考慮不完善、應(yīng)變率敏感度考慮不合理等問題�？梢�,目前鎂合金的沖擊動態(tài)本構(gòu)模型研究還不夠完善,有很大的局限性。為此,針對已有研究的不足,本文將對當(dāng)前使用極為廣泛的AZ31B鎂合金進行系統(tǒng)的沖擊動態(tài)力學(xué)實驗研究,并基于實驗研究結(jié)果建立鎂合金的沖擊動態(tài)本構(gòu)模型。本文開展的創(chuàng)新性工作如下:1)對AZ31B鎂合金進行了系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊動態(tài)力學(xué)實驗研究,揭示其宏觀力學(xué)行為:首先采用MTS材料試驗機對AZ31B鎂合金進行了一系列的準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸和壓縮實驗,獲得了AZ31B的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,用以與沖擊動態(tài)力學(xué)測試結(jié)果進行對比;然后,采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置對AZ31B鎂合金進行了室溫和高溫沖擊壓縮加載實驗,采用分離式霍普金森拉桿(SHTB)對AZ31B鎂合金進行了室溫沖擊拉伸加載實驗,研究了應(yīng)變率、溫度等對AZ31B鎂合金沖擊動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的影響。2)對AZ31B鎂合金進行了顯微觀察,研究其沖擊動態(tài)變形的微觀機理:首先采用掃描電鏡對AZ31B鎂合金沖擊加載后的斷口進行了觀察,分析沖擊載荷作用下鎂合金的破壞機理;然后采用金相顯微鏡觀察了AZ31B鎂合金動態(tài)變形前后的金相組織變化,分析溫度、應(yīng)變率等對鎂合金變形前后金相組織的影響;最后采用透射電鏡對AZ31B鎂合金動態(tài)變形前后的位錯形貌進行了觀察,分析溫度、應(yīng)變量等因素對AZ31B鎂合金位錯運動的影響。3)基于實驗研究結(jié)果總結(jié)了鎂合金沖擊動態(tài)變形的微觀機制,針對不同的應(yīng)用范圍分別建立了三類沖擊動態(tài)本構(gòu)模型:(1)假定孿生和位錯滑移兩種變形機制中阻抗低者將主導(dǎo)鎂合金的塑性變形。進而通過定義位錯滑移和孿生的阻抗演化方程,建立了鎂合金的沖擊動態(tài)本構(gòu)模型(即位錯動力學(xué)模型)。該模型計算簡單,能夠?qū)κ覝叵骆V合金的沖擊動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)進行準(zhǔn)確描述,具有較好的工程應(yīng)用價值。(2)在晶體塑性理論的基礎(chǔ)上引入率相關(guān)的應(yīng)變率敏感度控制方程,并考慮溫度對材料變形機制的影響,建立了新的鎂合金沖擊動態(tài)本構(gòu)模型(即晶體塑性模型),并給出了模型的數(shù)值實現(xiàn)方法。本文使用該模型模擬了鎂合金常溫、高溫動態(tài)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變行為和室溫沖擊動態(tài)壓縮加載下鎂合金的孿晶體積分?jǐn)?shù)演化規(guī)律,所得結(jié)果與實驗結(jié)果的對比驗證了模型的準(zhǔn)確性。該模型考慮了鎂合金沖擊動態(tài)加載下變形的微觀機理。(3)在熱激活理論框架下考慮了孿生,建立了鎂合金沖擊動態(tài)本構(gòu)模型。該模型保留了晶體塑性模型中對位錯滑移和孿生運行的判斷方式,可以考慮高溫下鎂合金的沖擊動態(tài)力學(xué)響應(yīng);同時,該模型采用顯式運算,大大降低了計算量,具有很高的工程應(yīng)用價值。
【圖文】：

1.1 材料（2A16-T4）在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變率敏感rain rate sensitivity of material (2A16-T4) in different strain r力學(xué)實驗研究現(xiàn)狀學(xué)者所開展的針對鎂合金動態(tài)力學(xué)行為的變形機理研究已中在以下幾個方面：的應(yīng)變率相關(guān)性、張星等[6-7]、Chang 等[8-9]、Ahmad 等[10]、Xiao 等[11]、Math偉等[14-15]、Yokoyama 等[16-18]、Zhou 等[19]、包合勝[20]、沖擊載荷作用下的力學(xué)行為。結(jié)果表明，鎂合金的沖擊動接的關(guān)系，如圖 1.2 所示，在動態(tài)壓縮載荷作用下隨著應(yīng)

圖 1.2 動態(tài)壓縮載荷作用下鎂合金的應(yīng)變率效應(yīng)ain rate effect of magnesium alloy under dynamic comp
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2671445