【摘要】：金屬材料在人們?nèi)粘Ｉ詈蛧揽萍夹袠I(yè)具有廣泛用途,然而由于目前對金屬材料斷裂行為的預(yù)測能力不足,導(dǎo)致大量安全事故的發(fā)生,嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。本論文聚焦金屬材料在動(dòng)態(tài)拉伸加載下的斷裂模式這一斷裂力學(xué)基礎(chǔ)問題開展系列實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究,著重分析加載應(yīng)變率對金屬材料斷裂模式的影響規(guī)律與機(jī)制,探討金屬材料對拉伸型和剪切型斷裂模式的敏感性及裂紋擴(kuò)展路徑的主控因素,研究材料選擇在航天領(lǐng)域具有重要用途的7075Al。希望通過本論文的研究能提高對斷裂問題的認(rèn)識,尤其是對金屬材料斷裂模式的預(yù)測能力。論文的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:1)對7075Al標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件開展了 4個(gè)加載速率下(0.00004/s、0.0004/s、0.004/s、0.04/s)的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn),每個(gè)應(yīng)變率開展3發(fā)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)獲得的不同加載應(yīng)變率下7075Al的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在試樣斷裂前重復(fù)性較好,說明結(jié)果置信度高。應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果分析表明,實(shí)驗(yàn)所采用的7075Al材料具有一定的應(yīng)變硬化特性。通過觀察分析回收樣品的斷口,發(fā)現(xiàn)隨著拉伸加載應(yīng)變率的提高,7075Al標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的斷裂模式由單一的拉伸斷裂向拉剪混合斷裂過渡,拉剪混合斷裂模式中拉伸斷口占比較多,剪切斷口占比較少。分別使用應(yīng)力-應(yīng)變曲線和測量回收樣品長度的方法獲得了樣品的斷裂應(yīng)變,二者吻合度較高,統(tǒng)計(jì)得到的平均斷裂應(yīng)變約為7%,并且隨著加載應(yīng)變率的增加呈小幅增加趨勢。此外,相同的加載應(yīng)變率下標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的斷裂位置和斷裂應(yīng)變都具有一定的隨機(jī)性,這與斷裂問題具有概率性相關(guān)。2)設(shè)計(jì)并開展了電磁加載下7075Al環(huán)的膨脹斷裂實(shí)驗(yàn),通過調(diào)節(jié)電容器充電電壓成功實(shí)現(xiàn)了對7075Al環(huán)不同速度的加載,最大速度從80m/s到180m/s,對應(yīng)的最大應(yīng)變率從3480s-1到7650s-1。實(shí)驗(yàn)中利用多普勒激光干涉測速技術(shù)(PDV)獲得了 7075Al環(huán)的膨脹運(yùn)動(dòng)速度歷史,對回收樣品進(jìn)行了斷口SEM與金相分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著動(dòng)態(tài)加載應(yīng)變率的提高,7075Al環(huán)的斷裂模式發(fā)生轉(zhuǎn)變,由低應(yīng)變率下的拉伸斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)橹袘?yīng)變率下的拉剪混合,再轉(zhuǎn)為高應(yīng)變率下的剪切斷裂;7075Al環(huán)的斷裂應(yīng)變從0.09逐漸增加到0.18;7075Al環(huán)的破片數(shù)量先增后后減小,而后再次增加,其拐點(diǎn)正是斷裂模式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。3)基于ABAQUS有限元?jiǎng)恿W(xué)分析平臺開展了 7075Al標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件和7075Al膨脹環(huán)在不同加載應(yīng)變率下斷裂過程的數(shù)值模擬,斷裂模型采用損傷累積模型,具體函數(shù)形式結(jié)合了 JC損傷模型與Liang Xue等人提出的連續(xù)塑性損傷模型,綜合考慮了應(yīng)變率、應(yīng)力三軸度、Lode角對斷裂的影響,模型參數(shù)利用已開展的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。對標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件斷裂過程的模擬發(fā)現(xiàn),隨著加載速度增加,斷口從拉伸斷口逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袛嗫?對電磁膨脹環(huán)斷裂過程的模擬發(fā)現(xiàn)隨著加載速度的增大,斷口也有從拉伸斷口轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袛嗫诘内厔�。對比不同加載應(yīng)變率下標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件和膨脹環(huán)試件斷裂過程中的應(yīng)力三軸度及Lode參數(shù),發(fā)現(xiàn)隨著加載應(yīng)變率的提高,樣品內(nèi)的應(yīng)力三軸度和Lode參數(shù)在增加,使斷裂模式從拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟�。模擬得到的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件和膨脹環(huán)試件的斷裂應(yīng)變與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。模擬得到的電磁膨脹環(huán)破片數(shù)量高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,初步分析其與數(shù)值模擬中未考慮材料的不均勻性影響有關(guān)。
【圖文】：

將發(fā)生變化，為簡明反映材料受力時(shí)不同的應(yīng)力狀態(tài)情況，學(xué)者們引入了應(yīng)力狀態(tài)參逡逑數(shù)的概念，常見的參數(shù)有Ｌｏｄｅ參數(shù)和應(yīng)力三軸度等。逡逑如圖１．１所示，，在主應(yīng)力空間下，ＯＺ方向上的點(diǎn)的坐標(biāo)（Ｔｆａｆｃ＾，與０Ｚ垂直且逡逑經(jīng)過原點(diǎn)的平面被稱作ｔｔ平面，則Ｌｏｄｅ參數(shù)代表了應(yīng)力矢量在應(yīng)力空間平面的投影逡逑角度值［２８］。逡逑（Ｔ２丨啤務(wù)逡逑１邋ｋ邋．邋？邋Ｉ邋７逡逑Ｄｅｖｉａｔｏｒｉｃ邋ｐｌａｎｅ邐／＼0邋Ｖ＾＼邋尸逡逑＜ｐ邋ｐｌａｎｅ）邐ｙ／邐＿？l挘ǎ蹋錚洌邋澹幔睿紓歟澹╁義賢跡保敝饔α占湎攏蹋錚洌宀問保矗常卞義隙ㄒ寰菜刮哄義希皰危劍ǎ裕礤澹藉澹擼

本文編號：2686100