动态拉伸加载下7075Al环的断裂模式转变现象研究
发布时间：2020-05-29 00:45
【摘要】：金属材料在人们日常生活和国防科技行业具有广泛用途,然而由于目前对金属材料断裂行为的预测能力不足,导致大量安全事故的发生,严重威胁着人们的生命和财产安全。本论文聚焦金属材料在动态拉伸加载下的断裂模式这一断裂力学基础问题开展系列实验与数值模拟研究,着重分析加载应变率对金属材料断裂模式的影响规律与机制,探讨金属材料对拉伸型和剪切型断裂模式的敏感性及裂纹扩展路径的主控因素,研究材料选择在航天领域具有重要用途的7075Al。希望通过本论文的研究能提高对断裂问题的认识,尤其是对金属材料断裂模式的预测能力。论文的主要内容和结论如下:1)对7075Al标准拉伸试件开展了 4个加载速率下(0.00004/s、0.0004/s、0.004/s、0.04/s)的准静态拉伸实验,每个应变率开展3发实验,实验获得的不同加载应变率下7075Al的应力-应变曲线在试样断裂前重复性较好,说明结果置信度高。应力-应变曲线结果分析表明,实验所采用的7075Al材料具有一定的应变硬化特性。通过观察分析回收样品的断口,发现随着拉伸加载应变率的提高,7075Al标准拉伸试件的断裂模式由单一的拉伸断裂向拉剪混合断裂过渡,拉剪混合断裂模式中拉伸断口占比较多,剪切断口占比较少。分别使用应力-应变曲线和测量回收样品长度的方法获得了样品的断裂应变,二者吻合度较高,统计得到的平均断裂应变约为7%,并且随着加载应变率的增加呈小幅增加趋势。此外,相同的加载应变率下标准拉伸试件的断裂位置和断裂应变都具有一定的随机性,这与断裂问题具有概率性相关。2)设计并开展了电磁加载下7075Al环的膨胀断裂实验,通过调节电容器充电电压成功实现了对7075Al环不同速度的加载,最大速度从80m/s到180m/s,对应的最大应变率从3480s-1到7650s-1。实验中利用多普勒激光干涉测速技术(PDV)获得了 7075Al环的膨胀运动速度历史,对回收样品进行了断口SEM与金相分析。分析结果发现:随着动态加载应变率的提高,7075Al环的断裂模式发生转变,由低应变率下的拉伸断裂转变为中应变率下的拉剪混合,再转为高应变率下的剪切断裂;7075Al环的断裂应变从0.09逐渐增加到0.18;7075Al环的破片数量先增后后减小,而后再次增加,其拐点正是断裂模式的转变点。3)基于ABAQUS有限元动力学分析平台开展了 7075Al标准拉伸试件和7075Al膨胀环在不同加载应变率下断裂过程的数值模拟,断裂模型采用损伤累积模型,具体函数形式结合了 JC损伤模型与Liang Xue等人提出的连续塑性损伤模型,综合考虑了应变率、应力三轴度、Lode角对断裂的影响,模型参数利用已开展的实验数据拟合得到。对标准拉伸试件断裂过程的模拟发现,随着加载速度增加,断口从拉伸断口逐渐转变为剪切断口;对电磁膨胀环断裂过程的模拟发现随着加载速度的增大,断口也有从拉伸断口转变为剪切断口的趋势。对比不同加载应变率下标准拉伸试件和膨胀环试件断裂过程中的应力三轴度及Lode参数,发现随着加载应变率的提高,样品内的应力三轴度和Lode参数在增加,使断裂模式从拉伸转变为剪切。模拟得到的标准拉伸试件和膨胀环试件的断裂应变与实验结果吻合度较高。模拟得到的电磁膨胀环破片数量高于实验结果,初步分析其与数值模拟中未考虑材料的不均匀性影响有关。
【图文】：
将发生变化，为简明反映材料受力时不同的应力状态情况，学者们引入了应力状态参逡逑数的概念，常见的参数有Ｌｏｄｅ参数和应力三轴度等。逡逑如图１．１所示，，在主应力空间下，ＯＺ方向上的点的坐标（Ｔｆａｆｃ＾，与０Ｚ垂直且逡逑经过原点的平面被称作ｔｔ平面，则Ｌｏｄｅ参数代表了应力矢量在应力空间平面的投影逡逑角度值［２８］。逡逑（Ｔ２丨啤务逡逑１邋ｋ邋．邋？邋Ｉ邋７逡逑Ｄｅｖｉａｔｏｒｉｃ邋ｐｌａｎｅ逦／＼0邋Ｖ＾＼邋尸逡逑＜ｐ邋ｐｌａｎｅ）逦ｙ／逦＿？l挘ǎ蹋铮洌邋澹幔睿纾欤澹╁义贤迹保敝饔α占湎拢蹋铮洌宀问保矗常卞义隙ㄒ寰菜刮哄义希疱危剑ǎ裕礤澹藉澹撸
本文编号：2686100
【图文】：
将发生变化，为简明反映材料受力时不同的应力状态情况，学者们引入了应力状态参逡逑数的概念，常见的参数有Ｌｏｄｅ参数和应力三轴度等。逡逑如图１．１所示，，在主应力空间下，ＯＺ方向上的点的坐标（Ｔｆａｆｃ＾，与０Ｚ垂直且逡逑经过原点的平面被称作ｔｔ平面，则Ｌｏｄｅ参数代表了应力矢量在应力空间平面的投影逡逑角度值［２８］。逡逑（Ｔ２丨啤务逡逑１邋ｋ邋．邋？邋Ｉ邋７逡逑Ｄｅｖｉａｔｏｒｉｃ邋ｐｌａｎｅ逦／＼0邋Ｖ＾＼邋尸逡逑＜ｐ邋ｐｌａｎｅ）逦ｙ／逦＿？l挘ǎ蹋铮洌邋澹幔睿纾欤澹╁义贤迹保敝饔α占湎拢蹋铮洌宀问保矗常卞义隙ㄒ寰菜刮哄义希疱危剑ǎ裕礤澹藉澹撸
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