氟化锂高压高应变速率冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟

发布时间：2020-07-31 17:20

【摘要】：氟化锂(Lithium Fluoride,LiF)是一种常用的冲击实验窗口材料,因其在高压条件下的动态响应对其他样品材料冲击测量结果的影响不可忽略,需要对LiF材料的动态力学演化规律进行研究。由于冲击实验方法对材料的微观动态演化机理认识不足,本文基于LiF材料的晶体微观结构,采用晶体塑性有限元方法对其在高压、高应变速率下的弹塑性大变形行为展开模拟研究。本文建立动态晶体塑性有限元模型,采用状态方程描述高压下材料的非线性弹性关系,并采用考虑声子拖曳机制的唯象硬化方程描述材料的粘塑性变形。分别对100LiF单晶和LiF多晶的冲击压缩过程进行数值模拟,分析不同加载条件下应力波在样品内的传播过程中能够反映的物理信息,并从宏观连续介质力学的角度对LiF材料的动态响应进行解释和预测。对100LiF单晶材料的单向冲击压缩变形进行模拟,结果表明:采用该模型能够模拟得到与实验结果一致的应力波剖面,得到LiF在低于约20 GPa冲击加载变形的波剖面具有弹塑性双波响应、应力松弛和弹性前驱衰减的特征;外加压力、样品厚度和材料本构,是影响LiF单晶冲击波剖面的主要因素;波剖面上的应力松弛现象,其连续介质力学根源是材料在高压高应变速率冲击变形过程中的粘性塑性变形,当变形中的总应变速率小于塑性应变速率时,即出现弹性应力松弛;根据在约20 GPa以内冲击变形应力波剖面的双波响应,以及高于此压力范围的单波响应特征,可以采用压力关于时间的三阶导数作为判断依据,估测样品的双波和单波响应的临界压力;材料动态变形过程中的温升效应不可忽略,并且温升主要来源于弹性体积变形的贡献。对LiF多晶材料的单向冲击压缩变形进行模拟,结果表明:累积塑性滑移速率在塑性变形初期迅速增加至10~7/s以上,并且在应力波到达样品自由表面之前滑移速率增加、塑性变形集中宽度减小,与单晶的动态变形趋势一致;晶粒之间的取向差是LiF多晶变形不均匀的主要原因,晶界是变形集中的主要区域;提高冲击压力或加压速率对多晶样品进行加载,应力波剖面上具有弹塑性波宽度减小、变形集中区域边界平滑性增加以及应力波已通过区域应力分布均匀性提高的特点。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ131.11
【图文】：

塑性理论,晶体塑性理论,连续介质

上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1 研究背景和目的晶体塑性有限元方法（Crystal Plasticity Finite Element Method, CPFEM）被广泛应用于准静态及动态加载条件下的晶体弹塑性大变形行为演变的研究。不同于经典连续介质力学方法，采用晶体塑性理论对材料变形行为的研究，可以基于晶体的微观结构，对塑性变形的大小和方向进行具体的考虑。以简单单向拉伸加载下的弹塑性变形为例，如图 1-1 所示。在连续介质力学理论框架内，晶体材料是各向同性的，其弹性和塑性变形均匀，并且与材料的微观结构无关，通过力学计算得到的弹性、塑性应变均沿加载方向。然而，在晶体塑性理论框架内，塑性变形沿特定的晶体学滑移方向进行，宏观的拉伸变形解耦为弹性拉伸、旋转和滑移系上的塑性变形。

环境光,冲击压力,对比度,材料

上海交通大学硕士学位论文量和计算常温下 KCl、NaCl 和 LiF 的弹性常数及其关于压力的一实验结果与通过 Born-Mayer 排斥势预测结果是一致的。Ander物、氧化物等矿物质的弹性常数进行测量，包括 LiF 的弹性常度的依赖性，并比较了由热力学方程和 Debye 方程计算得到的uneisen 系数的差异性。Dong 等[6]将 LiF 在 92 GPa 下的压缩实验urnaghan 状态方程进行拟合，得到零压下的等温体积模量及其关。

高压技术,压力范围,时间剖面图,方法

图 1-3 主要的高压技术方法可达到的压力范围[15]Fig.1-3 Pressure Ranges of Main High-Pressure Technical Methods图 1-4 不同厚度<100> LiF 样品的应力-时间剖面图[18]Fig.1-4 Stress-Time Profile for <100> LiF Specimens of Different Thicknesses

【参考文献】