对于高压与高应变率载荷下无氧铜等材料的特性研究

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1、讨论了高应变率与高压下材料的本构特性讨论了由高应变率一维应力及纯剪试验引出的材料的本构关系。最早戴维斯等人依据准静态薄壁圆筒试验结果提出了所谓的“单一曲线假定”。这种“单一曲线假定”把简单加载下复杂应力状态的等效应力-等效应变曲线和一维应力-应变曲线联系起来。本文指出,J-C、Z-A、B-P等本构方程可以用来描述SHPB及高应变率扭转试验结果,在一定意义上就说明,“单一曲线假定”可应用于高应变率加载。但是,对于平面冲击波产生的高压、高应变率,“单一曲线假定”未必适用。从理论上讲,由于高应变率一维应变试验(平面冲击波试验)伴有高压,因此,必须研究高压、高应变率状态下材料的本构方程,文中讨论了平板撞击下,材料的屈服强度Y与应变、压力p、温度T等的关系。指出, SCG本构方程其实质是以剪切模量为流动应力的尺度,在此尺度下度量的流动应力具有应变与应变率相关性,也就是说,高压效应与高应变率效应似乎可以分离变量,热力学效应可以通过剪切模量来表达。 2、建立了七种高压、高应变率本构模型在J-C模型及Z-A模型中,剪切模量的热力学状态量相关性没有计及,而在Wallace及Straub模型中,没有论及屈服强度的应变与应变率效应。为描述高应变率与高压载荷下金属的弹塑性响应,必须同时涉及剪切模量与屈服强度的热力学状态与应变、应变率相关性。我们分别基于假设 constant及 = constant( , , 分别为屈服强度、剪切模量、体积模量),构建了七种不同的强度模型,其中也采用了Straub的剪切模量模型以及修改的Johnson-Cook模型。 3、探讨了平面冲击波试验对材料强度的确定问题采用所构建的七种本构模型中的模型1-模型4,用于数值模拟Ly12 Al的典型平面冲击波试验并与Ly12 Al-LiF界面的VISAR数据进行了比较。结果表明,尽管四种强度模型计算的试件屈服应力随时间变化有显著区别,用不同强度模型计算的Ly12 Al-LiF界面速度历史仅有细微差异。也就是说,此种间接考证平面冲击波试验下材料强度模型的方法并非总是有效。主要的矛盾在于:为检验高压、高应变率下金属的强度模型必须进行较高应力的平面冲击波试验。然而,在这种条件下,由冲击波引起的界面速度剖面主要由高压状态方程决定而并不是由高压、高应变率的强度模型决定的。我们也研究了平面冲击波试验下材料强度的直接考证方法,把上述四种强度模型也被用于数值模拟钨合金的典型平面冲击波试验并与横向应力计的数据进行了比较。研究结果表明,基于Steinberg等的强度模型及基于Straub给出的表达式的强度模型的计算横向应力比较接近实验记录,而基于Johnson-Cook模型的计算横向应力大于实验值。然而,这种直接测量冲击试件中应力状态的方法还存在一些不确定的因素,要求分析应力计、封装件及试件的应力状态。 4、直接验证平面冲击波载荷下的无氧铜本构模型在宁波大学的“浙江省冲击与安全工程重点实验室”一级气体炮上,对于无氧铜进行了平面冲击波试验,采用纵向锰铜应力计与横向锰铜应力计记录了试件中的纵向应力历史与横向应力历史,从而得到了屈服应力历史。采用所构建的七种本构模型对于无氧铜的平面冲击波试验进行了数值模拟并与实验结果比较。研究结果表明,平面冲击波载荷下无氧铜的屈服强度对于压力、密度、温度以及塑性应变的依赖性是本构描述的关键。至于由Hopkinson试验等取得的无氧铜高应变率本构模型,并不适合描述平面冲击波载荷下的本构特性。 5、实验和数值研究平面冲击波致无氧铜层裂在宁波大学的“浙江省冲击与安全工程重点实验室”一级气体炮上,也对无氧铜材料进行了平板撞击致层裂实验,3mm厚的无氧铜飞片撞击6mm厚的无氧铜靶,采用锰铜应力计记录试样/有机玻璃(PMMA)界面附近的应力历史,获得试样发生层裂的信息。软回收试样,观测回收试样的层裂片。采用陈大年等提出的基于空穴聚集的层裂模型,数值模拟这些平板撞击致层裂实验。数值模拟的试样/PMMA界面附近的应力历史以及层裂片厚度与实验结果基本一致。基于我们对无氧铜在平面冲击波载荷下本构模型的讨论,在无氧铜层裂试验的数值模拟中,对于无氧铜基体(空穴间的固体)采用SCG本构模型。此外,对于国外Curran相关的无氧铜层裂实验,采用基于空穴聚集的层裂模型也作了相应的数值模拟,并进行了比较。
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