爆炸焊接钢在轻气炮加载下的变形和损伤

发布时间：2020-11-04 13:47

　　 爆炸焊接材料具有结合力强、加工性能好以及成本低等优点,在国防、航空航天、交通运输、造船等领域有着广泛的应用。目前,对爆炸焊接材料的研究主要集中在焊接参数和界面形状对焊接质量的影响,以及不同金属焊接界面的抗拉、抗剪切、抗弯曲的能力等方面。对爆炸焊接材料在高应变率加载下的宏观响应研究较少,微观结构演化过程也尚不清楚。随着爆炸焊接材料在国防和航空航天领域的大量运用,其面临的服役环境趋于极端恶劣,需要考虑其在高应变率加载下的动态响应和损伤破坏问题,这些问题同时也是材料科学、物理及力学领域所关心的重要科学问题。因此,研究爆炸焊接材料的动态响应和变形损伤不仅有重要的科学意义,而且可以为改善爆炸焊接材料提供可靠的实验和理论依据。Q235和#45是普通碳钢,价格低廉,应用广泛,本文利用爆炸焊接的方法将两者焊接,利用轻气炮加载对焊接样品进行了平板撞击实验,研究其动态宏观响应和微观损伤变形特征。主要工作和创新点归纳如下:(1)利用轻气炮加载,对爆炸焊接钢Q235/#45进行了层裂和压缩实验,通过多普勒光纤测速系统(DPS)测得了样品的自由面速度,获得样品在不同飞片撞击速度下的Hugoniot弹性极限(HEL)和层裂强度,并将其与基体材料Q235进行了对比,分析了爆炸焊接钢的损伤变形特征。层裂实验中,爆炸焊接界面会阻碍裂纹扩展,使其发生钝化或偏折,从而减小了裂纹尖端的应力集中效应,使得爆炸焊接材料在高速和低速撞击下的层裂强度和Hugoniot弹性极限均比Q235的高。在压缩实验中,爆炸焊接钢和基体材料Q235在弹塑性转变过程中呈现明显的差异,爆炸焊接钢的自由面速度缓慢升高,而Q235的自由面速度先在Hugoniot弹性极限附近保持一段时间之后才快速增加。(2)利用维氏硬度仪、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射仪(EBSD),分析了冲击压缩后爆炸焊接钢界面的力学性能和微观损伤变形特征。SEM和EBSD表征结果显示,受冲击压缩后,爆炸焊接界面的细晶区产生了大量位错,严重变形区产生了大量的孪晶和亚晶界,使得这些区域的硬度得到了提升。(3)对动态拉伸加载下的爆炸焊接钢进行了微损伤特征分析。随着拉伸应力的增加,微损伤首先在界面超细晶粒处成核,形成小孔洞,随着小孔洞生长相互贯通后形成裂纹且沿着波浪状界面不断扩展,最终导致界面完全裂开。由于界面和材料阻抗的差异,使得#45钢中应力拉伸持续时间比Q235中的长,从而造成#45钢中出现了较多的裂纹和孔洞,而Q235一侧几乎没有裂纹产生。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG457.11
【部分图文】：

他们对爆炸焊接的钛铜材料做了拉伸剪切测试，发现损伤和变生在铜材料一侧而不在结合面处。Acarerand 等[8]对爆炸焊接的复合钢板进研究，发现直线结合与波浪状结合界面在拉伸剪切和弯曲测试中具有相同度。在爆炸焊接的铝铜材料中，Gulenc 等[9]对不同爆炸速率下的材料进行了°的弯曲测试，没有发现界面分离、断裂的现象，并且发现，随着爆炸速率的，材料的硬度也随之增大。陈祥宝[10]等对叠层材料进行研究，发现外来物击对复合材料层合板的性能会产生影响，低速冲击会造成层板开裂和分层伤。杜丽等[11]利用落锤式试验机对铝-铝爆炸焊接材料的界面特征及低速冲(<10 m/s)的损伤特征进行了研究，随着冲击能量的增大，样品的损伤逐渐严在应力波的作用下缺陷发生连贯导致基体出现了开裂和分层等损伤。这些主要是研究爆炸焊接过程中飞板的运动状态、射流的形成、焊接参数、界状对焊接质量的影响、不同金属复合界面的抗拉、抗剪切、抗弯曲和抗腐能力以及低速冲击下爆炸焊接材料的变形损伤，但是鲜有关于爆炸焊接复材料在高应变率加载下力学响应的研究。

在平板撞击实验中得出，层裂强度的大小和应力拉伸持续非瞬时的，而与载荷的历史相关。着人们对层裂研究的深入，样品的纯度、微观组织和微观结构材料断裂强度的影响成为了动态拉伸断裂领域的研究热点[27-29]究人员利用气炮进行平板撞击实验，将回收后的样品 10100 铜，发现孔洞成核对样品层裂的最终孔洞分布起到了重要作用，差异性，不同纯度的两种 10100 铜的层裂强度有着很大的差度相差 50%左右。Grady 等[31]认为，材料微结构具有的差异性和长大，损伤的演化过程是加载方向和应力状态的函数。Ch不同的铝进行了层裂实验，实验结果表明，在峰值应力 4 G材料的层裂强度受到了微结构的影响，但是在峰值应力为 22下，材料的微结构对层裂的影响将减小。作者认为，这是因为过程中会产生新的微结构，材料的初始微结构之间的差异会被。

第 2 章 实验技术与方法2.1 爆炸焊接2.1.1 爆炸焊接原理由于爆炸焊接具有能够实现普通加工难以实现的焊接连接，且复合板耐腐蚀性高、结合力强、再加工性能好以及成本低等优点，使得爆炸焊接复合材料具有很高的应用价值。常见的爆炸焊接装置装配分为平行安装和倾斜安装，本次实验中所使用的样品是利用平行安装的爆炸焊接方法得到，爆炸焊接的装置图和焊接过程图如图 2-1 所示：
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本文编号：2870167