TC32钛合金的动态力学性能及损伤特点

采用分离式霍普金森压杆技术对TC32钛合金片层组织、双态组织、网篮组织试样进行了动态剪切实验,通过光学显微镜、扫描电镜研究了TC32钛合金不同组织的损伤特点。结果表明：片层组织、双态组织、网篮组织的临界应变率分别为2400 s-1,2700 s-1与2600 s-1,与网篮组织和片层组织相比,双态组织具有最优的综合动态力学性能。三种组织均观察到了绝热剪切带,并且绝热剪切破坏都要经过微孔洞的形核、长大与相互联结的过程,微孔洞的萌生与长大优先沿着绝热剪切带与基体的界面位置。片层组织绝热剪切带与基体的界面塑性流变特征不明显,并且在该区域观察到了呈快速扩展特征的长裂纹。双态组织绝热剪切带及与基体界面呈纤维状,周围组织在剧烈剪切力的作用下呈明显的塑性流变特征,等轴状或者椭圆型的初生α相被严重拉长变形,微孔洞也容易在α/β转变基体的界面处形核。网篮组织与双态组织的损伤特点类似,但与片层组织和双态组织不同的是,当网篮组织中具有规则排列的针状α相与绝热剪切带垂直时,微孔洞也容易在该处萌生。绝热剪切带内部组织主要是由细小的等轴晶粒组成,形成机制尚无统一定论。     

高速粒子斜撞击下LF6合金薄靶的损伤行为

研究了LF6合金薄靶在GCr15高速粒子斜撞击下的损伤行为。研究表明 ,薄靶的损伤行为随粒子速度和入射角度的不同而不同。当粒子入射角α小于某一临界入射角αc 时 ,粒子在靶材的表面会发生跳弹现象 ,如果粒子在碰撞时粉碎 ,一部分粒子碎片可能击穿薄靶 ,一部分粒子碎片可能在靶材表面发生弹跳现象。发生跳弹现象的临界入射角度αc 随粒子速度v0 的增大而减少。当α >αc 时 ,高速粒子在LF6合金靶表面不会发生跳弹现象 ,粒子或击穿薄靶或嵌入到靶材中。发生跳弹现象时 ,LF6薄靶表现出不击穿、极限不击穿和被击穿三种损伤形式     

靶材厚度对透射式激光烧蚀性能的影响

为从微观角度更加直观地研究靶材厚度对透射式激光烧蚀微推进性能的影响,采用刮涂法制作了6种不同厚度的聚叠氮缩水甘油醚/硝化棉(GAP/NC)共混聚合物掺杂红外吸收染料(IR)的烧蚀靶材,基于高速相机和高倍显微镜搭建了羽流观测系统和靶坑观测系统,研究了在纳秒脉冲激光辐照下,烧蚀厚度分别为33μm,53μm,78μm,104μm,125μm和144μm的GAP/NC+IR靶材所产生的羽流流场随时间演变的微观过程和靶坑形貌的微观特征,从而建立了透射式激光烧蚀的微观特征与宏观推进性能的联系,进一步分析了其所表征的推进性能的优劣。结果表明:随着靶材厚度的增加,靶材的前沿喷射物初始速度由2100m/s单调降至1340m/s左右,预示着烧蚀比冲的减小;喷射物中大颗粒凝聚态物质增多,靶坑的体积增大,喷射质量增加,预示着烧蚀产生的冲量和冲量耦合系数的增大;喷射发散角减小,羽流方向性变好,但烧蚀过程对基底的冲击程度增强。     

叶片外物损伤的实验模拟及其疲劳强度的研究

研究了空气炮法模拟外物损伤叶片的可行性,分析了外物损伤对模拟叶片疲劳强度的影响规律。用空气炮发射以300m/s左右速度发射直径1~4mm的钢珠,冲击模拟叶片,空气炮法在发射速度控制和撞击缺口深度方面具有较强的可控性及可重复性。采用光学和扫描电子显微镜对外物损伤的宏观和微观特征进行了观察,冲击损伤处具有材料丢失、塑性变形、剪切撕裂、应力集中、微裂纹、空穴结构和材料的折叠等特征。采用步进法对部分外物损伤模拟叶片进行了高周疲劳强度测试,试验结果比较分散,且冲击损伤引起的高周疲劳强度下降不随缺口深度的增加而单调变化,表明物损伤模拟叶片的疲劳强度是受缺口的宏观特征、微观特征等综合因素的影响。     

TC6钛合金在电流加载条件下的动态强迫剪切力学性能研究

微直流电通过强迫剪切动态加载过程中的TC6钛合金,首次研究了电流对TC6强迫剪切动态力学性能的影响规律.结果表明:直流电能够在一定程度上延迟TC6钛合金发生绝热剪切破坏失效,在相同的应变率下,即降低了TC6钛合金的绝热剪切敏感性.研究结果表明,一定强度的直流电能提高TC6钛合金绝热剪切带局部的热传导速率,在一定程度上降低了TC6在动态加载条件下的热软化效应,进而使得应变强化效应在更长的承载时间内高于热软化效应.因此,一定强度的直流电能降低TC6钛合金的绝热剪切敏感性,使TC6推迟发生绝热剪切破坏.     

II型裂纹扩展与绝热剪切带传播的数值对比

通过数值计算的方法,对比绝热剪切带内裂纹扩展和预制II型疲劳裂纹扩展的动态性能参数。分析热塑失稳现象中裂纹的传播与绝热剪切带传播的关系。采用ABAQUS/CAE进行二维模型建立,预制疲劳裂纹和绝热剪切带,分析计算了材料在2种情况的应力应变时间曲线、II型动态应力强度时间历程以及裂纹扩展速度。计算结果表明,预制绝热剪切带与预制疲劳裂纹对于材料的破坏方式影响一致,即裂纹跟随绝热剪切带传播最终导致材料失效。     

Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金绝热剪切和局部流动行为

在THERMECMASTOR-Z型热模拟机上对Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金在变形温度780～1 080 ℃,应变速率0.001～70.000 s^-1条件下的流动应力变化规律进行了研究,分析了变形工艺参数对Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金绝热剪切和局部流动行为的影响,并采用基于动态材料模型的功率耗散图分析了Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金易发生绝热剪切和局部流动的热力参数范围。结果表明:在所研究的热变形条件下,当温度较高、应变速率较低时,变形呈稳态流动特征,当温度较低、应变速率较高时,变形呈流动软化特征。通过功率耗散图分析及微观组织观察可知,在α+β两相区变形,应变速率高于0.100 s^-1时,功率耗散系数多数小于0.16,变形多处于流变失稳区域,其变形机制主要为绝热剪切和局部流动。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3．0mm 的钢球高速（0．96和1．88km/s）及超高速（3．52和4．98km/s）撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明：高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面：一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。     

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。     

航空发动机第1级风扇叶片鸟撞研究

针对目前对鸟体撞击风扇部位影响分析不全的问题,计算了鸟体飞向叶片不同部位和穿过支板间隙的概率,在此基础上分析了鸟体撞击旋转状态第1级风扇叶片不同位置的概率。基于数值模拟技术,建立了鸟体撞击叶片的有限元模型,模拟鸟撞击风扇叶片叶尖、叶中、叶根部位,在分析引起叶片不同位置塑性变形的基础上,进一步确定了风扇损伤最大的位置。针对4种不同的鸟体撞击速度,对发动机第1级风扇叶片鸟体撞击部位损伤进行了分析。得到鸟体穿过叶尖部位支板间隙的概率约为50%,撞击叶尖部位概率约为16.7%,是最容易撞击的部位,受到的损伤也较大。计算结果可以为确定发动机风扇叶片鸟体撞击损伤提供参考。     

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。     

非耦合韧性断裂准则及其在航空金属材料中的应用

结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势,对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键,而发展先进的韧性断裂准则是其主要途径。本文首先介绍了金属材料损伤断裂的微观机制,包括剪切和压缩应力主导的剪切型断裂、拉应力主导的拉伸型断裂及复合型断裂。回顾了韧性断裂准则的研究现状,传统非耦合韧性断裂准则的发展历程、特点和适用场合,重点论述了近年来几种典型的非耦合韧性断裂准则的特点和优势。传统的非耦合韧性断裂准则通常只考虑最大主应力或平均应力对损伤断裂的影响,忽略了偏应力的作用,不适合于低应力三轴度或复杂应力状态下的断裂行为预测;而新的韧性断裂准则综合考虑应力三轴度和罗德角参数对损伤演化的共同影响,适用于复杂的应变路径和应力状态。最后,评述了非耦合韧性断裂准则在铝合金、镁合金和钛合金等航空金属材料中的发展现状和典型应用,展望了韧性断裂准则的发展趋势和研究方向。非耦合韧性断裂准则需针对先进结构金属材料的变形特点,综合考虑应力状态、应变速率、温度及各向异性等对损伤断裂的作用,使其具有更好的普适性和预测精度。     

High-velocity impact responses of 2618 aluminum plates for engine containment systems under combined actions of projectile form and oblique angle

Ballistic impact tests were carried out with examined projectiles of the Ti-6Al-4V titanium alloy to investigate the impact response of the 2618 aluminum plates at a nominal velocity of 210 m/s. The influence of projectile forms and oblique angles on damage formation was particularly discussed by applying different loading conditions such as multiple projectile forms and oblique angles. Additionally, the numerical simulation method was employed to provide further insight into the characteristics of damage and target responses. The Johnson-Cook(J-C)constitutive model with revised failure parameters was used to support the simulations to assess target responses and characteristics of the damage created from different impact conditions. Results show that there is a significant transition in the deformation mode as changes of the projectile form are applied. Moreover, the cracks on the back of the 2618 aluminum alloy plates impacted by the solid plate projectile and the hollow blade projectile tend to locate at different positions, which are supposed to be influenced by local bending and stretching. The work in this paper may provide guidance for the design of fan blade containment systems.     

钛合金切屑形成过程的动态研究

本文对钛合金TC4切屑进行了显微摄影和俄歇能谱分析,利用高速摄影将钛合金切屑形成过程及切削力的瞬态变化,同步记录在同一胶卷上,借助影片运动分析仪,对钛合金切屑的锯齿状形成过程进行动态研究。并建立了钛合金切屑形成过程的新模型。     

单向陶瓷基复合材料任意应力本构行为快速计算方法

为了实现快速预测陶瓷基复合材料(CMCs)任意应力加卸载作用后的损伤状态和本构行为,对CMCs任意应力加卸载力学行为进行研究。提出了任意应力加卸载曲线简化方法,得到仅包含决定CMCs损伤状态的等效载荷曲线。基于剪滞模型,直接给出CMCs在等效载荷曲线作用后的滑移区分布,避免对载荷曲线的逐点计算。进而预测了材料的损伤状态和应力应变行为。将原始加卸载曲线带入剪滞模型,计算CMCs滑移区分布和应力应变,并与本文提出的方法进行比较,结果表明,两种计算方法计算的结果一致,说明了本文提出的载荷曲线简化方法和滑移区分布计算方法是可行的。     

无头铆钉成型过程的有限元仿真与试验分析

采用ABAQUS建立有限元分析模型,分析了66°锥形铆模压铆无头铆钉的成型过程。对成型后的试片进行了力学及金相分析,并将结果与普通半圆头铆钉进行对比。研究结果表明,无头铆钉的压铆变形过程为钉杆中间最早涨粗,墩头部分成型,随后钉杆部分逐步与孔壁均匀挤压的过程;随着压铆位移的增加,无头铆钉拉脱强度及剪切强度均呈上升趋势;与传统平铆模成型的半圆头铆钉相比,在锥形铆模的作用下,金属材料向钉杆流动更加均匀,墩头两侧的绝热剪切效应明显弱化。     

空战效能分析准则

通过对受攻击目标所遭受的物理损伤,功能损伤,战术标准杀余等概念的分析,提出了作为空战效能分析的一个一般设计准则及具体的数学表达式,该准则强调的受攻击目标功能的损伤,而不是受攻击目标物理的杀伤,为了使效能分析结果可靠度,更接近真实的空战结果,将目标分为单目标,多目标和面积目标,在详细分析各类目标特性的基础上,针对目标的不同分类,给出了进行空战效能估计准则计算的具体实施方法。     

TiNi基形状记忆合金薄膜的相变特征研究

利用磁控溅射的方法在单晶Si和非晶SiO2基片上制备了TiNi和TiNiCu形状记忆合金薄膜,并利用示差扫描量热法和基片曲率法研究了薄膜的相变特征及应力随温度的变化.研究结果表明450℃溅射形成的记忆合金薄膜具有良好的形状记忆效应,在微电子机械系统有很好的应用前景.TiNi薄膜降温时出现R相变,因而发生两步相变,而TiNiCu薄膜中马氏体和奥氏体间直接转变.基片以及薄膜成份对相变点有很大的影响.单晶Si片作为基片时,记忆合金薄膜和基片间有很好的结合力,而SiO2作为基片时,记忆合金薄膜容易剥落.