高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。     

航空常用铝合金动态拉伸力学性能探究

利用分离式Hopkinson拉杆设备对五种航空常用铝合金2A12-CZ,2A12-M,2024-T351,7050-T74,7050-T7451进行了室温动态拉伸力学性能探究,并利用电子万能试验机对这五种材料进行了准静态拉伸力学性能测试,得到了五种铝合金在不同应变率下的拉伸真实应力应变曲线。试验结果显示:7050系列铝合金有较高的屈服强度,2A12M抗拉强度则最低。五种航空铝合金都表现出不同程度的正的应变率敏感效应,其中2A12-CZ敏感性最强,7050T7451敏感性最弱。五种铝合金动态拉伸失效应变明显大于准静态拉伸失效应变。2A12M与2024T351有较高的动态拉伸失效应变。在试验结果的基础上,选择Johnson-Cook本构模型,Cowper-Symonds本构模型来拟合这五种材料的动态本构,模型预测与试验结果吻合较好。     

纯铁材料动态力学性能测试及本构模型

研究纯铁材料的动态力学性能并建立其本构模型是开展纯铁材料工程应用和数值模拟研究的基础,利用Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆试验装置,对纯铁材料进行了常温下不同应变率（10^-3~5×10⁴s^-1）和应变率为10⁴s^-1时不同温度下（200~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种载荷下的应力-应变曲线。试验结果表明,纯铁材料的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,具有明显的应变强化效应、应变率强化和增塑效应以及热软化效应。基于Power-Law本构方程,通过试验数据拟合得到了纯铁材料的动态本构模型参数,拟合曲线与试验数据吻合较好,表明该模型能较好描述纯铁材料在动态载荷下的力学行为。     

不锈钢材料高温、高应变率下动态力学性能的试验研究

利用带有加热装置和同步组装系统的高温Hopkinson压杆系统对某不锈钢材料在温度20 ～ 800℃时,应变率103 ～ 104s-1下的动态压缩力学性能进行了测试,得到了材料在不同温度和应变率耦合作用下的真实应力-应变曲线.对比准静态结果,考察了材料流动应力的温度和应变率敏感性,并根据热激活位错运动理论对其内在机理进行了解释和探讨.试验表明,材料具有显著的热软化和应变率强化效应;且高温时,材料的温度敏感性、应变率敏感性均显著增加.     

GH2132材料对接焊接头不同温度疲劳寿命试验研究

对GH2132材料对接焊接头进行了两种不同温度（360℃和410℃）下的静载拉伸试验和疲劳试验。静载拉伸试验结果表明，应变速率对GH2132对接焊接头的断裂载荷影响不大。由疲劳试验结果得到了两种温度下的S—N曲线，利用该曲线和有限元分析预测了某GH2132材料对接焊构件焊接接头处的疲劳寿命，结果表明所得寿命满足此构件的设计要求。     

FGH95粉末冶金材料变形及破坏特点的试验研究与数值模拟及分析

进行了650℃下不同应变率的拉伸试验和应变率为10^-3／s的应变控制循环试验，用以研究FGH95材料的变形特征；进行了不同保载形式的疲劳试验，用以研究FGH95材料的破坏特征。采用Chaboche本构对材料的变形特征进行了数值模拟，同时也对其寿命进行丁评估，得到了较为理想的结果，为粉末高温合金构什的应力一应变分析及寿命预测打下了基础。同国外相近牌号Rene’95相对照，得出了粉末材料FGH95一些特有的性能特点，对其工程应用具有一定的参考价值。     

基于累积损伤模型的NEPE推进剂温度及率相关破坏准则研究

建立考虑温度及应变率因素的适用于粘弹性固体推进剂的破坏准则,通过对NEPE复合推进剂试件在6组不同环境温度(-50~50℃)下进行了5组不同拉伸速率(1~500mm/min)的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获取损伤模型参数,建立了考虑温度及应变率因素的基于累积损伤的结构强度准则。并利用建立的损伤模型来预测推进剂试件在选定温度(20℃,-50℃)及应变率条件下(20mm/min,200mm/min)的破坏情况,预测结果与试验数值吻合较好,说明该损伤模型能够较好地描述NEPE推进剂材料的破坏过程,可在一定温度(-50~50℃)及应变率(1~500mm/min)范围内作为一种普遍适用的推进剂破坏准则。     

固体火箭发动机柔性接头弹性件力学性能研究

针对固体火箭发动机柔性接头中的橡胶材料，研究了在进行这种橡胶结构有限元计算中橡胶材料的力学行为的表征。进行了单轴拉伸与简单剪切材料力学性能试验，根据不同材料模型对试验曲线进行了拟合，并用MSC／Marc软件模拟了超弹性材料的单轴拉伸与简单剪切变形过程。结果表明：采用单轴拉伸试验数据预测材料剪切性能会造成明显误差，而简单剪切试验得到的模型可以比较准确描述材料的拉伸和剪切变形，针对柔性接头这种以剪切变形为主的结构，应选取剪切试验数据；当应变大于150％时，不同材料模型与试验数据的选用范围对计算结果具有明显影响。     

0.4C-铬镍钼硅钢多冲疲劳裂纹起始寿命估算

 本文采用局部应力一应变法,结合Coffin公式,忽略弹性应变。考虑应变速率的影响,导出了在给定的试验条件下,根据材料的拉伸性能估算其多冲疲劳裂纹起始寿命的表达式,经试验结果验证表明,对不同冲击能量,不同热处理状态以及不同缺口形状的多冲试样,估算式均具有较高的准确性。     

适用于任意应变比的应变寿命新模型

为了提高非对称应变寿命模型预估轮盘疲劳寿命的精度,通过对不同应变比下的试验数据进行多元线性拟合,建立了一种适用于试验数据应变比覆盖范围内任意应变比条件下的应变寿命新模型。结合多种材料的疲劳试验结果,对包含本模型在内的四种常用模型预测结果进行了对比分析。结果显示Morrow弹性修正模型和Morrow-Harford模型的预测结果不稳定;SWT模型预测精度一般,但稳定性较好。本文新模型对CC450不锈钢和SAE1045钢的预测结果基本在2倍分散带内;对GH4133光滑试棒的预估中位寿命比试验中位寿命仅高0.25%,对GH4133中心孔拉伸试件的预估中位寿命比试验中位寿命小3.67%,展示出很好的考虑应变比影响的疲劳寿命预测能力。     

SHPB实验考虑绝热变形和端面摩擦的修正方法

采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高应变率下的温度敏感性,并拟合了Johnson-Cook本构模型的参数。结合数值计算方法对压缩实验中试件内部的应力、应变以及温度的分布建立了一个半经验的数学模型并提出了一种新的参数修正方法,将端面摩擦效应、绝热变形升温效应与SHPB实验结果进行解耦。实验结果表明:温度越高,GH4169高温合金的屈服强度以及流动应力越小。并且在SHPB实验中GH4169高温合金存在明显的绝热变形升温效应和端面摩擦效应,导致实验结果并不能真实反映材料的硬化特性。通过对原始Johnson-Cook本构方程的硬化项乘以1.2的修正系数,发现修正后的本构参数准确反映了材料在高应变率下的应力应变特性。      

J-C本构参数对绝热剪切影响的敏感性分析

 综合考虑应变、应变率和温度对绝热剪切的影响,通过理论推导建立了基于J-C本构方程的绝热剪切失稳判据。以45号钢、TC4钛合金和7050航空铝合金3种不同的金属晶格材料为例,计算得出了出现锯齿形切屑的临界切削速度,并以临界切削速度为参量,以敏感度作为衡量敏感性的统一标准,进行了本构参数对绝热剪切的敏感性分析,旨在说明J-C本构参数对绝热剪切的影响大小,为材料的本构研究和工程中绝热剪切的预测提供一定的理论参考。研究结果表明:3种材料中,TC4钛合金对绝热剪切的敏感性最大;J-C本构参数对锯齿形切屑的出现皆有影响,对绝热剪切的敏感性最大的是本构参数A,次大的是硬化系数n。     

16NiCo钢应变疲劳分析

本文详细研究了１６ＮｉＣｏ钢的低循环应变疲劳性能，并对其循环应力一应变行为进行了讨论和分析。结果表明，该钢达到了同类钢和美国同种钢的应变疲劳强度水平，在循环过程中表现出循环软化。此外，塑性应变能的分析与计算证明，采用标准热处理规范能够实现强度与塑性的最佳匹配。     

缺口半径对疲劳寿命影响的有限元分析

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢缺口件进行了非比例应变路径低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了缺口半径和应变路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响.试验结果表明:缺口件裂纹萌生寿命占疲劳寿命的比例与应变路径和缺口半径相关.采用ANSYS软件进行模拟计算,材料弹塑性特性采用von Mises屈服准则、多线性运动硬化律和单轴循环应力应变曲线描述.模拟结果表明:各应变路径下缺口根部处产生了明显的应力集中,等效应力最大值均发生在缺口根部处,随着离缺口根部距离的增加,应力随之而降低.但不同缺口半径下,离缺口根部不同距离处的应力梯度变化趋势随应变路径不同而不同.基于模拟结果,采用Smith-Watson-Topper(SWT)模型进行疲劳寿命预测.结果表明SWT模型针对大缺口半径的预测结果较好,大部分点位于2倍分散带内,但针对小缺口半径预测结果普遍偏低.      

钛合金TC4高温动态压缩力学行为研究

利用分离式Hopkinson压杆和微型Hopkinson压杆测试钛合金TC4材料,在温度为20～800℃之间,应变率103/s和104/s下的压缩力学行为,定量研究温度和应变率对材料流动应力的影响规律。结果表明:随着温度升高,材料应变率呈现增大趋势,而随着应变率变化,材料温度敏感性变化不大。     

不同温度下IC10合金的本构关系

 利用材料试验机（MTS809）测得IC10合金在很宽的温度范围（25~800 ℃）和不同应变率（10^-5~10^-2s^-1）内的应力 应变曲线。试验结果表明：室温下IC10合金的流变行为对应变率不太敏感;相同应变率（10^-4s^-1）下,流变行为对温度较敏感;在不同应变率、25~800 ℃温度范围内,IC10合金的屈服应力变化很小。基于试验数据,修正并拟合了Johnson-Cook方程,并利用该方程对不同温度和不同应变率下IC10合金的流变应力进行预测。与试验数据对比表明,修正后的Johnson-Cook方程能较好地描述IC10合金在不同的温度和应变率条件下的流变行为。     

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

材料疲劳循环特性研究

 本文提出用计算分析模拟疲劳实验得到循环应力-应变曲线。列举材料计算的循环应力-应变曲线与实验结果相符合。     

任意应力比下涡轮盘的塑性应变能寿命模型

以首次加、卸载时由于塑性变形导致循环应力应变曲线偏离弹性线的面积为损伤参量，从能量的角度建立了塑性应变能寿命模型，并运用平方插值的方法获得了任意应力比下塑性应变能和疲劳寿命的关系.利用某发动机涡轮盘的螺栓孔模拟试件与级间盘的跑道孔模拟试件的试验结果进行验证与对比.结果显示:根据应力比采用平方插值时塑性应变能寿命模型计算精度更高.螺栓孔试件的计算寿命与试验结果相差9.42%；跑道孔试件仅相差1.88%.总体上看，该模型计算结果与试验结果吻合很好，具有较高的精度.