本文關(guān)鍵詞：穿甲彈用鎢合金的沖擊實(shí)驗(yàn)與納觀力學(xué)機(jī)理模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京理工大學(xué)》 2015年

穿甲彈用鎢合金的沖擊實(shí)驗(yàn)與納觀力學(xué)機(jī)理模擬研究

于超  

【摘要】：鎢合金材料以優(yōu)良物理、力學(xué)性能，在國(guó)防軍工應(yīng)用材料中占有不可替代的地位，但在使用過(guò)程面臨高溫高壓等極端條件，其微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化，使得材料的性質(zhì)與常溫常壓下不同，且極端條件下鎢合金材料的相變、微觀效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等性質(zhì)很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。為了從原子水平深入認(rèn)識(shí)鎢合金材料在極端條件下的性質(zhì)，探索微觀結(jié)構(gòu)與宏觀之間的聯(lián)系，本文回顧了前人對(duì)鎢合金材料宏觀的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和細(xì)觀損傷理論的研究，采用實(shí)驗(yàn)與分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)鎢合金材料在典型極端條件下的一些重要問(wèn)題進(jìn)行了有益的探索和研究，具體工作如下： (1)基于伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS810和旋轉(zhuǎn)盤(pán)式桿-桿型沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鎢合金材料分別進(jìn)行了室溫下準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)比拉伸實(shí)驗(yàn)，并分析了試件斷口形貌。研究表明：室溫準(zhǔn)靜態(tài)加載下，鎢合金材料沒(méi)有塑性變形，是典型的脆性斷裂，且隨著應(yīng)變率的增加，材料的強(qiáng)度有所升高；室溫動(dòng)態(tài)加載下，鎢合金材料表現(xiàn)出了一定的塑性特性，出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，并且隨著應(yīng)變率的增加，材料的強(qiáng)度與剛度逐漸升高，而且動(dòng)態(tài)加載比靜態(tài)加載的鎢合金屈服強(qiáng)度明顯升高，且鎢合金表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)；在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合EAM勢(shì)和分子動(dòng)力學(xué)方法，編寫(xiě)了鎢合金材料的拉伸程序，研究了鎢合金材料的不同晶體結(jié)構(gòu)在拉伸和溫度作用下的晶體結(jié)構(gòu)、相變及屈服強(qiáng)度。由EAM勢(shì)預(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)、延展性和頸縮行為與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明該勢(shì)函數(shù)適用于鎢合金晶體，具有良好的拓展性。鎢合金晶體在低應(yīng)變率與高應(yīng)變率下延展性具有不同特性，且在高應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)特有的雙峰現(xiàn)象。研究了鎢合金晶體屈服強(qiáng)度在加載速率、溫度、尺度和晶向效應(yīng)變化下的響應(yīng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將分子動(dòng)力學(xué)模擬鎢合金晶體拉伸高應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行了拓展，獲得高應(yīng)變率下的響應(yīng)公式。 (2)利用三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)機(jī)與S-570掃描電鏡試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鎢合金材料裂紋擴(kuò)展及其斷裂行為展開(kāi)了研究，觀測(cè)到不同細(xì)化顆粒鎢合金裂紋試件在拉伸加載過(guò)程中，鎢合金首先發(fā)生塑性變形，鎢顆粒附近的黏結(jié)相承受大部分的載荷，而鎢顆粒周圍產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，預(yù)制裂紋附近的缺陷首先發(fā)展成為裂紋源，隨后微裂紋在黏結(jié)相中發(fā)生擴(kuò)展演化，總結(jié)了鎢合金裂紋擴(kuò)展規(guī)律；并采用編寫(xiě)的分子動(dòng)力學(xué)程序?qū)︽u合金I型裂紋擴(kuò)展模型進(jìn)行了研究，分析了鎢合金晶體在拉伸作用下的裂紋擴(kuò)展機(jī)理。結(jié)果表明鎢合金晶體裂紋擴(kuò)展尺寸與裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力均為各向異性：沿著[123]晶向的裂紋擴(kuò)展，其臨界應(yīng)力最大，沿著[112]晶向次之，，而對(duì)于[110]晶向裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力最小；裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度沿著[100]晶向最大，[123]、[112]與[110]晶向的裂紋擴(kuò)展尺度相對(duì)較小，可近似為[100]晶向的三分之二。裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展尺寸的各向異性是由不同晶向間原子排列結(jié)構(gòu)以及滑移阻礙方式造成。 (3)采用自行編寫(xiě)的分子動(dòng)力學(xué)程序?qū)︽u合金的沖擊熔化行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，將多尺度模型置于分子動(dòng)力學(xué)程序中求解，實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)高壓條件下對(duì)鎢合金的沖擊動(dòng)力學(xué)行為問(wèn)題的研究。通過(guò)模擬獲得了沖擊鎢合金熔化的臨界沖擊加載速度，壓強(qiáng)、溫度、體積的時(shí)程曲線，鎢合金熱力學(xué)參數(shù)的Hugoniot曲線，并經(jīng)過(guò)擬合獲得了沖擊波速度與粒子速度的關(guān)系式；利用分子動(dòng)力學(xué)模擬得到參數(shù)與推導(dǎo)的公式結(jié)合獲得了冷能曲線的相應(yīng)參數(shù)，其與文獻(xiàn)理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比比較接近，而分子動(dòng)力學(xué)模擬鎢合金沖擊與沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論計(jì)算結(jié)果符合較為一致表明MSST理論模型與分子動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法在描述沖擊鎢合金熔化問(wèn)題上具有一定的可靠性；同時(shí)計(jì)算了沖擊速度與沖擊晶向變化對(duì)沖擊熔化的影響，發(fā)現(xiàn)鎢合金隨著沖擊速度與沖擊晶向的不同，鎢合金熔化過(guò)程具有一定的差別。 (4)在上述鎢合金實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了鎢合金彈丸超高速撞擊靶板的分子動(dòng)力學(xué)程序。首先建立超高速?gòu)椡枳矒舭邪逑到y(tǒng)的三維模型，并計(jì)算和分析鎢合金彈丸在撞擊靶板過(guò)程的微觀演化和結(jié)構(gòu)破壞方式；其次研究了彈丸半徑、彈丸初始速度、靶板厚度、材料變化對(duì)碰撞后產(chǎn)生碎片云的影響；最后，將分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果同高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果進(jìn)行了比較，模擬的碎片云形狀和碎片云特征點(diǎn)的速度與實(shí)驗(yàn)相吻合，證實(shí)了改進(jìn)的EAM勢(shì)對(duì)于超高速撞擊模擬問(wèn)題是可行的，進(jìn)一步驗(yàn)證了分子動(dòng)力學(xué)方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O341
【目錄】：

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7 魏志剛;李永池;胡時(shí)勝;胡秀章;;兩相鎢合金復(fù)合材料的絕熱剪切變形局域化研究[A];復(fù)合材料的現(xiàn)狀與發(fā)展——第十一屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

8 萬(wàn)小波;張林;周蘭;肖江;;非晶態(tài)鎳鎢合金電鍍工藝[A];中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)（2003）[C];2003年

9 華勁松;經(jīng)福謙;張江躍;董玉斌;譚華;;高溫高壓下鎢合金的本構(gòu)方程[A];中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)（1999）[C];1999年

10 黃西成;陳裕澤;朱建士;;撞擊實(shí)驗(yàn)中鎢合金絕熱剪切破壞的數(shù)值模擬[A];計(jì)算爆炸力學(xué)進(jìn)展[C];2006年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 有研;[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2003年

2 付潔;[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2005年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 劉筱玲;鎢合金材料宏微觀性能分析及動(dòng)態(tài)性能測(cè)試研究[D];西南交通大學(xué);2008年

2 于超;穿甲彈用鎢合金的沖擊實(shí)驗(yàn)與納觀力學(xué)機(jī)理模擬研究[D];北京理工大學(xué);2015年

3 陳小安;鎢合金的制備及動(dòng)態(tài)性能研究[D];西南交通大學(xué);2012年

4 王猛;細(xì)晶鎢合金穿甲彈芯侵徹機(jī)理分析及試驗(yàn)研究[D];南京理工大學(xué);2013年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 劉筱玲;鎢合金材料性能測(cè)試及宏細(xì)觀力學(xué)分析[D];西南交通大學(xué);2003年

2 艾璇;W-4.9Ni-2.1Fe/W-2.8Ni-1.2Fe-1Al_2O_3鎢合金的制備及其力學(xué)性能研究[D];華南理工大學(xué);2013年

3 張穎;鎢合金鍍層性能及其發(fā)黑研究[D];湖南大學(xué);2010年

4 常志宇;鎢合金基體材料動(dòng)態(tài)性能及絕熱剪切局部化分析[D];西南交通大學(xué);2005年

5 鄭春曉;沖擊載荷下細(xì)晶鎢合金絕熱剪切帶的有限元模擬[D];中南大學(xué);2013年

6 岳鵬;鎢合金擠壓棒材高速載荷下的微觀結(jié)構(gòu)演變及其力學(xué)性能[D];中南大學(xué);2012年

7 王秀敏;電鍍鎢合金耐H_2S腐蝕研究及脈沖電沉積鎢合金[D];湖南大學(xué);2009年

8 楊昌麟;擠壓態(tài)細(xì)晶鎢合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及退火的研究[D];中南大學(xué);2013年

9 高雷;代鉻電沉積鎳—鐵—鎢合金的研究[D];山東大學(xué);2011年

10 詹厚芹;電沉積Fe-Ni-W合金工藝及結(jié)構(gòu)的研究[D];湖南大學(xué);2008年

  本文關(guān)鍵詞：穿甲彈用鎢合金的沖擊實(shí)驗(yàn)與納觀力學(xué)機(jī)理模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：224340