高温、高应变率LY12铝压缩动态力学性能的实验研究

摘要：利用配备自动组装系统和高温加热系统的φ5mm直径的Hopkinson压杆,对温度在20℃～400℃、应变率在5×103s-1～1.4×104s-1范围内LY12铝的动态压缩力学性能进行了实验研究。实验中采用波形整形技术,有效地消除了入射波的高频振荡,提高了测试精度。实验结果表明：当实验温度低于200℃时,温度的影响较小,而高于200℃时,材料的温度软化效应将十分明显,且随着温度的升高,流动应力逐步降低;LY12铝的性质接近于线性硬化材料,随温度的升高,其硬化模量逐步降低;在5×103 s-1～1.4×104 s-1应变率范围内,LY12铝的动态压缩性能的应变率效应并不明显。     

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.     

超高强度23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形行为研究

利用Gleeble-3800热力模拟试验机,在1123 ～1423K温度范围,应变速率0.5 ～ 10s-1条件下,对二次硬化超高强度23Co14Ni12Cr3MoE钢进行了高温轴向压缩试验,测得了钢的高温流变曲线,并观察了变形后的显微组织.实验结果表明,该钢流变应力和峰值应变随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小;在真应变为0.8,应变速率为0.5～10s-1的条件下,随着变形速率的提高,其发生完全动态再结晶的温度也逐渐升高.当变形速率为10s-1时,其变形温度高于1373K,才会发生完全动态再结晶.23Co14Ni12Cr3MoE钢的热变形激活能(Q)为421.6kJ/mol.本次研究还确立了钢的热变形方程.     

高铝Ni3Al基合金的热变形行为

采用Gleeble-3800型热模拟试验机研究了高铝Ni3Al基合金在变形温度为1200～1240℃,应变速率为0.01～1s-1条件下的热压缩变形,结果表明:在应变速率为0.01s-1时,高铝Ni3Al基合金对应的热变形本构方程为σ=28.57(lnε+6.72×105/RT-44.08),而当应变速率为0.1s-1和1s-1时,热变形本构方程为σ=28.57(lnε+1.28×106/RT-92.76)。变形过程中只有γ’相发生不同程度上回溶,但未发生动态再结晶。合金的最佳变形区间位于变形温度为1200～1215℃,应变速率为0.01s-1范围内;而当提高速率至1s-1附近,γ’相中塞积的位错容易造成单相γ’区中β/γ’界面的开裂,对应变形过程中的"失稳区"。     

中应变率下HTPB推进剂压缩力学性能和本构模型研究

为研究固体推进剂在中应变率条件下的压缩力学性能,在高应变率液压伺服试验机上开展了单轴压缩实验,并获取了温度范围为-40~25℃及0.40~85.71s-1应变率下HTPB推进剂的应力-应变曲线。结果表明,本文的实验方法是有效的,温度和应变率对HTPB推进剂的压缩力学性能影响显著。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,并与准静态下的应力-应变曲线特性有明显区别。压缩模量E和压缩应力σ0.17随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性双对数关系。在低温和较高应变率的双重作用下,-40℃,85.71s-1条件下的压缩模量E和压缩应力σ0.17分别为25℃,0.40s-1条件下数值的10.64倍和4.25倍。基于时温等效原理,得到了HTPB推进剂的压缩力学性能主曲线,该主曲线能够对低温较宽应变率范围内推进剂的压缩力学性能进行预测。在朱-王-唐非线性粘弹性本构模型的基础上,构建了考虑温度和应变率效应的固体推进剂中应变率压缩本构模型,并采用遗传算法拟合了本构参数。通过不同温度和应变率下预测结果与实验数据的比较,验证了模型的有效性。所建模型能够较好地描述0.17应变以内HTPB推进剂的压缩变形,可为低温中应变率下固体火箭发动机药柱的结构完整性分析提供理论基础。     

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。     

航空透明聚氨酯胶片动态力学性能实验研究

对夹层玻璃中聚氨酯胶片的动态力学性能进行系统研究,可以为飞机和高铁风挡玻璃抗冲击性能的设计提供可靠的材料数据和模型。利用温度控制的Hopkinson拉、压杆试验装置和微型材料试验机(MTS5587)对聚氨酯胶片在-40~50℃温度范围、0.001~6 500s-1应变率范围内的力学行为进行了系统研究。结果表明:航空透明聚氨酯的力学性能具有明显的温度敏感性和应变率敏感性,随着应变率提高或温度降低,聚氨酯胶片的流动应力和割线模量也相应增加,表现出明显的应变率和温度效应,同时两者可能有一定的等效性。温度从-20℃下降到-40℃时,应力-应变曲线变化显著,表现出向玻璃态转变的特性。在0℃以上的温度时,同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值要低于动态压缩曲线的应力值。而在温度低于0℃时,在同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值则高于动态压缩曲线的应力值。     

热变形条件对含银Al-Cu-Mg耐热铝合金流变应力和组织的影响

采用热模拟试验对一种含银Al-Cu-Mg耐热铝合金进行热压缩试验,研究了合金在热压缩变形温度和应变速率分别为340～500℃,0.001～10s-1的条件下的流变应力行为和变形组织.结果表明:合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的升高而减小.该合金热压缩变形的流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程来描述,也可用Zener-Hollomon参数来描述,其变形激活能为196.27kJ/mol.在较低的变形温度或较高的应变速率下,合金组织中主要存在沿垂直于压缩方向拉长了的晶粒.随着变形温度的升高或应变速率的降低,拉长的晶粒发生粗化,并且合金中出现了再结晶晶粒,说明合金中的主要软化机制逐步由动态回复转变为动态再结晶.该合金较适宜的热轧温度为380～460℃,应变速率为0.1～10s-1.     

添加微量Sc对Mg-3Li合金高应变率变形行为的影响

利用Hopkinson压杆对Mg-3Li和Mg-3Li-1Sc合金进行了高应变率冲击实验,分析了添加少量Sc对Mg-3Li合金冲击变形行为及其应变率效应的影响.结果表明,在1350s～3000s-1应变率范围内,两种合金的动态应力-应变行为均表现出显著的应变率强化效应.但随应变率继续升高,合金的动态变形行为转为应变率弱...     

3种铝合金材料动态性能及其温度相关性对比研究

 对3种铝合金2024-T351、7050-T7451和LY12-CZ进行了温度在77～573 K的静、动态压缩（应变率10^-3～6 000/s）和拉伸（应变率10^-3～3 000/s）试验,分别得到了3种铝合金材料的应力 应变关系和失效应变。对比研究结果表明,随温度升高3种材料的塑性流动应力降低,应变率敏感性增加。最后基于Johnson-Cook模型,拟合了用以预测铝合金材料塑性流动应力的模型参数,其预测结果与试验结果吻合较好。     

Ti-6Al-2Zr-1M0-1V合金的热变形行为

在Gleeble-1500热模拟机上对Ti-6A1-2Zr-1Mo-1V钛合金铸态材料进行了恒温和恒应变速率下的热压缩变形实验，温度范围是700～1000℃，应变速率范围是5×10     

TC4-DT钛合金高温热变形行为研究

利用Gleeble-3500型热模拟实验机,研究了TC4-DT损伤容限型钛合金在温度850℃～1000℃、应变速率0.01～10s-1、变形程度为40%～70%条件下的热变形行为,分析了该合金的流变应力行为及微观组织演变规律,并建立了本构关系模型。研究结果表明,TC4-DT合金在950℃以下的较低温度变形时应力软化现象非常明显,变形机制和热变形激活能不同于950℃以上的较高温度变形机制;在950℃以上高温度变形时,低应变速率(如ε=0.01s-1)促进了动态再结晶行为的发生,而在较高的应变速率(如ε=10s-1)时,一般只发生动态回复现象,动态再结晶行为受抑制。     

定向凝固钴基高温合金DZ40M的热处理研究

研究了热处理对新研制的定向凝固钴基高温合金DZ40M组织和性能的影响。结果表明 :12 80℃ / 4h固溶处理可完全溶解DZ40M合金中初生碳化物M7C3 和MC ,合金成为单相固溶体。95 0℃和 10 5 0℃时效处理可使DZ40M合金发生硬化 ,以 95 0℃时效硬化效果更为明显 ,相应的峰时效制度为 95 0℃ / 12h和 10 5 0℃ / 2 4h。时效处理引起M2 3 C6沉淀析出。 95 0℃ / 12h时效显著提高DZ40M合金室温强度和高温持久寿命 ,同时也减少了合金塑性 ,但合金仍保持一定的塑性。 10 5 0℃ / 2 4h虽然能增加室温拉伸性能 ,但削弱了高温持久性能     

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。     

Ti-10V-2Fe-3Al合金热压流变应力的研究

 测试了Ti-10V-2Fe-3Al合金在β区850℃～950℃、ε=5×10~(-3)～10s~(-1)条件下的压缩真应力-真应变曲线。研究了变形组织。结果表明:在850℃～950℃、ε=10~(-1)～10s~(-1)范围内变形,动态回复是主要软化机制,其σ-ε曲线为动态回复型,变形后的组织为拉长晶粒。对所得的σ-ε曲线进行了数学分析,得出了流变应力模型。     

鸟撞高速飞机风挡若干问题的冲击动力学研究

 对鸟撞飞机风挡的动态响应问题作了冲击动力学的分析研究。由航空有机玻璃在应变率10~(-4)s~(-1)～10~3s_(-1)和温度-60～100℃的试验研究表明其本构关系的应变率效应和温度效应是不可忽略的。由铸镁合金的试验研究则表明其表观的应变率敏感性与铸态缺陷所引起的试验数据分散性相比是可忽略的。用特征线数值法对撞击界面载荷特性的计算分析表明,撞击载荷与结构动态响应间的耦合作用是不可忽视的。     

氩气雾化FGH95合金的热模拟实验

采用Gleeble-1500D热模拟试验机进行氩气雾化FGH95合金的热压缩实验,在不同的温度和应变速率下,获得FGH95合金的变形应力应变曲线,根据变形数据,建立FGH95合金的变形本构方程,并基于动态材料模型,绘制合金的热加工图。计算得到氩气雾化FGH95合金的变形激活能Q=695.78 kJ/mol,通过建立的本构方程计算得出的峰值应力与实验值符合较好,平均误差范围约6%;根据热加工图,确定FGH95合金安全的热加工区域如下：1070~1100℃,0.01~0.001 s-1,当温度增加到1100℃以上后,应变速率可以增大到0.5 s-1。     

SiC_P/Al-Cu复合材料动态再结晶行为及临界条件

利用Gleeble-1500D热模拟试验机对40%SiC_P/Al-Cu复合材料进行压缩实验,研究其在温度为350~500℃、应变速率为0.01~10 s~(-1)条件下的高温塑性变形行为。由实验得出变形过程中的应力-应变曲线,采用加工硬化率处理方法对应力-应变数据进行处理,结合lnθ-ε曲线的拐点和(-α(lnθ)/αε)-ε曲线最小值的判据,研究该复合材料动态再结晶临界条件。结果表明:40%SiC_P/Al-Cu复合材料的应力-应变曲线主要以动态再结晶软化机制为特征,峰值应力(σ_p)随变形温度的降低或应变速率的升高而增加;该材料的lnθ-ε曲线出现拐点,(-α(lnθ)/αε)-ε曲线出现最小值;临界应变(ε_c)随变形温度的升高与应变速率的降低而减小,且临界应变与峰值应变(εp)之间具有相关性,即ε_c=0.528εp;临界应变与Zener-Hollomon参数(Z)之间的函数关系为ε_c=4.58×10~(-3)Z~(0.09)。透射电镜观察显示应变为0.06时(变形温度为400℃,应变速率为10 s~(-1))已经发生动态再结晶,应变为0.2时,动态再结晶晶粒充分长大。     

航天飞行器轻质纳米材料高温隔热性能

纳米隔热材料是一种新型航天飞行器热防护材料。本文使用自行研制的高速飞行器热试验系统,对Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能进行试验研究及数值计算,为高速航天器热防护系统的安全可靠性设计提供重要依据。研究结果表明,厚度仅为10 mm的Al₂O₃纳米材料板,当前表面温度为1 200℃时（1 800 s）,前后表面的温度差高达880.9℃,后表面温度降低了73.4%,且隔热性能稳定。另外与某空天飞行器轻质陶瓷材料进行了隔热性能的对比试验,结果显示轻质陶瓷材料板的背壁温度要比Al₂O₃纳米材料板高56%。说明Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能非常优异,在航天器和高超声速飞行器热防护中具有重要的应用价值。由扫描电镜（SEM）图像知,当温度超过1 200℃后,Al₂O₃纳米材料颗粒快速聚集生长,颗粒间的空洞尺寸显著增大,材料内部纤维出现熔融现象,裂纹数量增多、深度及宽度显著增大,影响材料表观导热率。另外,当温度高于1 200℃时,纳米材料板边界出现了较大的收缩变形和弯曲变形。基于试验结果可知,Al₂O₃纳米隔热材料应该在小于1 200℃的热环境中使用。     

Z-pin高效拉挤用双马来酰亚胺树脂改性

为了满足双马来酰亚胺树脂（BMI）应用于Z-pin高效拉挤的需求,要求其具有低黏度（500 $\mathrm{m}\mathrm{P}\mathrm{a}?\mathrm{s}$）、耐热（玻璃化转变温度大于200 ℃）、固化快以及韧性好等性能。使用TDE-85环氧树脂（EP）降低BMI黏度,并进一步加入改性剂提高树脂的耐热性和力学性能。分别采用黏度测试、差示扫描量热分析、热重分析、力学性能测试等方法研究树脂固化工艺、固化反应动力学、耐热性以及基本力学性能,筛选最佳树脂体系制备Z-pin并进行性能测试与分析。研究结果表明:TDE-85环氧树脂的加入可以有效降低树脂体系的黏度,满足高效拉挤工艺性需求。加入改性剂二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）提高了EP-BMI体系的韧性和耐热性,玻璃化转变温度为251 ℃,综合性能达到最优。浇铸体拉伸强度、冲击强度分别为66 MPa、21 kJ/m2,分别提高了38%、53%。Z-pin短梁剪强度为67 MPa,与基体结合强度为31.2 MPa。改性树脂体系充分满足Z-pin高效拉挤的工艺需求和性能要求,具有良好的工程应用价值。