铜基非晶合金的动态性能及杆式射流仿真研究
发布时间：2021-09-23 03:40
为探索高强度、高硬度和高非晶形成能力的铜基块体非晶合金用作药型罩材料的可能性,通过铜模吸铸法制备Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金棒,研究其静态压缩断口形貌及在不同应变率下的动态压缩特性,用Autodyn-2D动力学仿真软件模拟铜基块体非晶合金药型罩的杆式射流过程。结果表明:Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金静态压缩断面均匀分布着脉络状花样,随应变率增大,动态抗压强度先升后降,具有应变率敏感性;仿真研究的铜基块体非晶合金药型罩杆式射流成形能力好,不易出现颈缩,用作药型罩材料可保证良好的侵彻性能。
【文章来源】：兵器材料科学与工程. 2020,43(06)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
静态压缩应力-应变曲线及断口形貌
为更好表征Cu基块体非晶合金的杆式射流特性，仿真传统药型罩用紫铜进行对比，基本参数，见表4。其中，Cu基块体非晶合金用Linear状态方程和Drucker-Prager本构模型；紫铜用Shock状态方程和Steinberg-Guinan本构模型，该材料参数取自Autodyn-2D软件的材料库[15-16]。建立由炸药、药型罩和空气域组成的有限元仿真模型，均用二维Euler单元算法[17]。聚能装药结构为规则的轴对称结构，因此只需建立1/2模型。为消除边界效应，添加“Flow-out”边界条件[18]，空气域模型用理想气体状态方程描述。成型装药结构和有限元模型，如图4所示。通过建立有限元模型，模拟Cu基块体非晶合金和紫铜药型罩杆式射流的形成过程及监测杆式射流速度随时间的变化情况。表5为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65μs时两种材料药型罩在等体积情况下形成的杆式射流形态。可以看出，初始阶段Cu基块体非晶合金杆式射流成形速度快于紫铜，15μs后紫铜杆式射流成形速度超过Cu基块体非晶合金。随杆式射流逐渐成形，30μs时紫铜杆式射流初步出现颈缩，并随时间推移颈缩现象越发明显，50μs时出现拉断迹象；与紫铜相比，50μs前，Cu基块体非晶合金杆式射流未出现颈缩迹象，直到60μs时才出现颈缩，在65μs时出现拉断迹象。因此，相比于紫铜，Cu基块体非晶合金具有良好的杆式射流成形性，杆式射流在成形过程中不易出现颈缩现象，在较长时间内不被拉断。这是由于Cu基块体非晶合金在一定变形温度和应变率下具有优异的延展性，呈很小的流变抗力，在射流过程中，杆式射流前端的温度不断变化，刚好达到其良好延展性所在的温度区间，使其变形容易，不易拉断。
表1为Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金在不同冲击压缩下的SHPB试验数据。选取应变率为1 260、1 330、1 420、1 480、1 670、1 770 s-1的试验数据原始波形曲线，采用三波法处理试验数据[13]。图2为SHPB试验后Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金残留在垫片上的试样形态，分别为不规则破碎状（图2a,1 260 s-1）和熔化后黏滞状（图2b,1 480 s-1）。可以看出，随应变率增加（即冲击压缩气压的增加），残留试样形态逐渐由破碎状变为黏滞状，原因是块体非晶合金在亚稳态下具有较高能量，能量处于激活状态，体系内组元间有较大负混合焓，在冲击气压加载下发生原子自蔓延运动，瞬间激发化学放热反应，使合金出现熔化现象。同时，也符合Cu基块体非晶合金“自锐性”特点，即合金黏度在过冷液相区内很低，受热过程中外层材料因达到过冷液相区温度自动脱落，内部合金材料因未达到过冷液相区温度，其黏度依然很高，适合用作药型罩材料[14]。图3为Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金动态压缩应力-应变曲线。表2为不同应变率下的动态抗压强度。可以看出，应变率为1 260、1 330、1 420 s-1时，压缩初始阶段产生一定的弹性应变；试样在不同应变率加载下均未有明显屈服；随应变率增大，动态抗压强度总体先升后降，最大动态抗压强度约为800 MPa，这一现象恰好与表1中不同冲击气压加载下残留试样的不同形态相对应——随冲击气压增大，加载后的试样从破碎状变为黏滞状，动态抗压强度随应变率增加而增大，达到一定程度后开始下降，此时加载后的试样呈黏滞状。可知，应变率改变影响了试样在加载过程中的形态，同时影响动态抗压强度，因此在动态压缩过程中Cu基块体非晶合金具有应变率敏感性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属与非金属双层药型罩射流形成及侵彻仿真[J]. 李文国,张健,李艳飞. 装备制造技术. 2019(07)
[2]Zr41Ti14Ni12.5Cu10Be22.5非晶合金冲击压缩行为理论与实验研究[J]. 张云峰,罗兴柏,孙华刚,施冬梅,张玉令,刘国庆. 哈尔滨工业大学学报. 2019(05)
[3]起爆方式对变壁厚药型罩形成毁伤元影响的数值仿真[J]. 孙加肖,尹建平,王志军,李建华,唐琦. 爆破器材. 2017(02)
[4]块体金属玻璃基复合材料拉伸和压缩不对称行为的有限元模拟[J]. 李小燕,张娟,阚前华. 应用数学和力学. 2015(S1)
[5]高塑性W-Cu-Zr非晶合金药型罩材料[J]. 郑娜娜,董素荣,郭强,卢文杰,赵军强,常秀英. 兵器材料科学与工程. 2014(01)
[6]块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切特性和侵彻/穿甲“自锐”行为[J]. 李继承,陈小伟. 力学进展. 2011(05)
[7]不同材料模型的药型罩对仿真结果的影响[J]. 陈文刚,张越. 科学技术与工程. 2010(13)
[8]聚能装药粉末药型罩材料技术的发展和现状[J]. 王毅,姜炜,刘宏英,李凤生. 爆破器材. 2007(05)
[9]新型Zr57Nb5Cu15．4Ni12．6Al10大块非晶态合金的制备及其室温单轴压缩断裂行为[J]. 陶平均,杨元政,李喜峰. 材料导报. 2006(01)
本文编号：3404959
【文章来源】：兵器材料科学与工程. 2020,43(06)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
静态压缩应力-应变曲线及断口形貌
为更好表征Cu基块体非晶合金的杆式射流特性，仿真传统药型罩用紫铜进行对比，基本参数，见表4。其中，Cu基块体非晶合金用Linear状态方程和Drucker-Prager本构模型；紫铜用Shock状态方程和Steinberg-Guinan本构模型，该材料参数取自Autodyn-2D软件的材料库[15-16]。建立由炸药、药型罩和空气域组成的有限元仿真模型，均用二维Euler单元算法[17]。聚能装药结构为规则的轴对称结构，因此只需建立1/2模型。为消除边界效应，添加“Flow-out”边界条件[18]，空气域模型用理想气体状态方程描述。成型装药结构和有限元模型，如图4所示。通过建立有限元模型，模拟Cu基块体非晶合金和紫铜药型罩杆式射流的形成过程及监测杆式射流速度随时间的变化情况。表5为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65μs时两种材料药型罩在等体积情况下形成的杆式射流形态。可以看出，初始阶段Cu基块体非晶合金杆式射流成形速度快于紫铜，15μs后紫铜杆式射流成形速度超过Cu基块体非晶合金。随杆式射流逐渐成形，30μs时紫铜杆式射流初步出现颈缩，并随时间推移颈缩现象越发明显，50μs时出现拉断迹象；与紫铜相比，50μs前，Cu基块体非晶合金杆式射流未出现颈缩迹象，直到60μs时才出现颈缩，在65μs时出现拉断迹象。因此，相比于紫铜，Cu基块体非晶合金具有良好的杆式射流成形性，杆式射流在成形过程中不易出现颈缩现象，在较长时间内不被拉断。这是由于Cu基块体非晶合金在一定变形温度和应变率下具有优异的延展性，呈很小的流变抗力，在射流过程中，杆式射流前端的温度不断变化，刚好达到其良好延展性所在的温度区间，使其变形容易，不易拉断。
表1为Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金在不同冲击压缩下的SHPB试验数据。选取应变率为1 260、1 330、1 420、1 480、1 670、1 770 s-1的试验数据原始波形曲线，采用三波法处理试验数据[13]。图2为SHPB试验后Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金残留在垫片上的试样形态，分别为不规则破碎状（图2a,1 260 s-1）和熔化后黏滞状（图2b,1 480 s-1）。可以看出，随应变率增加（即冲击压缩气压的增加），残留试样形态逐渐由破碎状变为黏滞状，原因是块体非晶合金在亚稳态下具有较高能量，能量处于激活状态，体系内组元间有较大负混合焓，在冲击气压加载下发生原子自蔓延运动，瞬间激发化学放热反应，使合金出现熔化现象。同时，也符合Cu基块体非晶合金“自锐性”特点，即合金黏度在过冷液相区内很低，受热过程中外层材料因达到过冷液相区温度自动脱落，内部合金材料因未达到过冷液相区温度，其黏度依然很高，适合用作药型罩材料[14]。图3为Cu45Zr43Al4Ag8块体非晶合金动态压缩应力-应变曲线。表2为不同应变率下的动态抗压强度。可以看出，应变率为1 260、1 330、1 420 s-1时，压缩初始阶段产生一定的弹性应变；试样在不同应变率加载下均未有明显屈服；随应变率增大，动态抗压强度总体先升后降，最大动态抗压强度约为800 MPa，这一现象恰好与表1中不同冲击气压加载下残留试样的不同形态相对应——随冲击气压增大，加载后的试样从破碎状变为黏滞状，动态抗压强度随应变率增加而增大，达到一定程度后开始下降，此时加载后的试样呈黏滞状。可知，应变率改变影响了试样在加载过程中的形态，同时影响动态抗压强度，因此在动态压缩过程中Cu基块体非晶合金具有应变率敏感性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属与非金属双层药型罩射流形成及侵彻仿真[J]. 李文国,张健,李艳飞. 装备制造技术. 2019(07)
[2]Zr41Ti14Ni12.5Cu10Be22.5非晶合金冲击压缩行为理论与实验研究[J]. 张云峰,罗兴柏,孙华刚,施冬梅,张玉令,刘国庆. 哈尔滨工业大学学报. 2019(05)
[3]起爆方式对变壁厚药型罩形成毁伤元影响的数值仿真[J]. 孙加肖,尹建平,王志军,李建华,唐琦. 爆破器材. 2017(02)
[4]块体金属玻璃基复合材料拉伸和压缩不对称行为的有限元模拟[J]. 李小燕,张娟,阚前华. 应用数学和力学. 2015(S1)
[5]高塑性W-Cu-Zr非晶合金药型罩材料[J]. 郑娜娜,董素荣,郭强,卢文杰,赵军强,常秀英. 兵器材料科学与工程. 2014(01)
[6]块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切特性和侵彻/穿甲“自锐”行为[J]. 李继承,陈小伟. 力学进展. 2011(05)
[7]不同材料模型的药型罩对仿真结果的影响[J]. 陈文刚,张越. 科学技术与工程. 2010(13)
[8]聚能装药粉末药型罩材料技术的发展和现状[J]. 王毅,姜炜,刘宏英,李凤生. 爆破器材. 2007(05)
[9]新型Zr57Nb5Cu15．4Ni12．6Al10大块非晶态合金的制备及其室温单轴压缩断裂行为[J]. 陶平均,杨元政,李喜峰. 材料导报. 2006(01)
本文编号：3404959
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