（固体力学专业论文）纯钛高温动态拉伸力学性能研究.pdf

摘要 本文的研究工作是在国家自然科学基金 高温冲击拉伸试验技术的理论与 实验研究 编号1 0 1 7 2 0 8 0 多晶纯t i 高温冲击拉伸力学性能和变形机理研究 编号1 0 4 7 2 1 1 0 的资助下开展的 对金属材料高温动态力学性能的研究是当前固体力学和材料科学研究的一 个前沿课题 由于技术上的困难 高温冲击拉伸试验至今未见报导 因而阻碍了 对于金属材料高温动态力学性能的研究探索 本文在拥有多个自主知识产权的冲 击拉伸试验机和试验技术的基础上 采用快速接触加温技术创立和发展了一套适 合于测试金属材料力学性能的高温冲击拉伸试验技术 试验温度可达1 0 7 3 k 该技术能够在很短的时间内 约3 0 秒 在试样试验段形成较均匀的温度场 温 度偏差 3 同时有效地将杆端温升的大小和影响区域控制在一个较小的范围 内 避免了杆端温升对于试验结果有效性的影响 改进了原有的冲击拉伸加卸载试验技术 重新设计了入射杆和透射杆二次 加载波吸收器 吸波器使入射杆中二次加载波的幅值降到一次加载波的1 4 左右 透射杆中二次加载波的幅值降到一次加载波的1 6 左右 从而得到更可靠的冲 击拉伸加卸载应力应变曲线 完善了冲击拉伸复元试验技术 对多晶纯钛在不同温度度 2 9 8 k 一9 7 3 k 并 1 应变率 1 0 3 s 1 1 4 0 0 s 1 下的拉伸力学 性能进行了系统的研究 揭示了如下温度和应变率相关的力学行为 变形中孪晶 密度随温度升高而锐减 使常温和高温下的硬化率出现较大差别 和已有的压缩 结果相比 发现在压缩条件下更易于出现孪晶 纯钛断裂应变随温度的升高出现 反复的增减 且在动静态下分别呈现出不同的规律 试验还发现纯钛的屈服行为 随着应变率的升高呈现较复杂的规律 在高温高应变率下应力应变曲线在屈服之 后出现多个应力振荡峰 另外 采用改进后的冲击拉伸复元试验技术得到了纯钛 在常温 应变率为3 0 0 s 下的等温应力应变曲线 发现等温变形过程中材料的强 度和断裂应变明显大于绝热过程中的强度和断裂应变 冲击过程中的绝热温升促 进了纯钛的破坏 结合试验结果 在位错动力学的基础上建立了描述纯钛力学性能温度和应变 率相关的本构方程 采用该本构方程拟合了多晶纯钛在不同温度和应变率下的应 力应变曲线 结果发现除了动态应变时效和孪晶影响比较显著的情况外 拟合的 结果和试验结果符合很好 由于在微观分析中发现孪晶变形主要出现在常温条件 下 因此在常温时通过综合考虑孪晶引起的软化效应和硬化效应在本构方程中引 入修正 经过修正后的本构方程能够很好地描述孪晶变形和位错滑移对纯钛温度 和应变率相关力学性能的影响 推广基于晶体塑性理论的多晶细观数值本构模型的理论和方法 建立了纯钛 温度和应变率相关的细观数值本构模型 通过和单晶试验结果的对比以及对多晶 有限元模型单元数量和大小的数值分析验证了多晶细观数值本构模型的有效性 结合宏观试验结果给出了模型中的细观参数 并对多晶纯钛在不同温度和应变率 下的变形过程进行了模拟 结果表明该模型能够较好地描述纯钛温度和应变率相 关的应力应变关系 对变形过程中滑移系的运动和晶粒取向演化的模拟结果还揭 示底面滑移和棱柱型滑移是控制晶粒取向演化的主要因素 当晶粒的c 轴和拉伸 轴夹角较小时 在模拟的范围内 臼 6 4 变形主要由棱柱型滑移所控制 c a 型滑移对于晶粒取向的演化基本不起作用 最后对全文的工作进行了总结和展望 a bs t r a c t t h ep r e s e n tr e s e a r c hi sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a n o 1 0 1 7 2 0 8 0a n dn o 1 0 4 7 2 1 1 0 r e s e a r c ho nt h ed y n a m i cb e h a v i o ro fm e t a l l i cm a t e r i a l sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s i so n eo ft h ep r i n c i p a ld i r e c t i o n si nt h es o l i dm e c h a n i c sa n dm a t e r i a ls c i e n c e a n u n d e r s t a n d i n go ft e n s i l ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fm e t a l so v e raw i d er a n g eo fs t r a i n r a t e sa n dt e m p e r a t u r e si sv e r yi m p o r t a n ti nt h ed e s i g no fs t r u c t u r e s h o w e v e r d u et o t h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ed i f f i c u l t i e s f e wr e p o r t so nt e n s i l eb e h a v i o ro fm e t a l sa t h i g hs t r a i nr a t e sa n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e sa r ea v a i l a b l es of a r i nt h ep r e s e n tw o r k a n e wh e a t i n gt e c h n i q u ew a sp r o p o s e di nas e l f d e s i g n e ds p l i th o p k i n s o nt e n s i l eb a r s h t b a n dah i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hs t r a i n r a t et e n s i l et e s t i n gs y s t e mw a s e s t a b l i s h e d w h i c hi ss u i t a b l ef o rm e a s u r i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fm e t a l so v e ra w i d et e m p e r a t u r er a n g eo f2 9 8 k 10 7 3 k a t h o r o u g hc a l i b r a t i o no nt h et e s t i n gs y s t e m s h o w e dt h a tan e a r l yh o m o g e n e o u st e m p e r a t u r ef i e l di nt h es p e c i m e n t h et e m p e r a t u r e d e v i a t i o n 3 c a nb er a p i d l y i n3 0s e c o n d s c r e a t e d a n dt h et e m p e r a t u r er i s ei nt h e b a r so fs h t bc a nb ec o n t r o l l e dt om e e tt h er e q u i r e m e n to fo n e d i m e n s i o n a l e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e t e n s i l ei m p a c tl o a d u n l o a de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ew a si m p r o v e db yu s i n g s p e c i a l l yd e s i g n e di n p u t o u t p u tw a v ef i l t e rf i x t u r e st oa b s o r bt h es e c o n d a r yl o a d i n g w a v e si nt h e i n p u t o u t p u tb a r s a sar e s u l t t h ea m p l i t u d e o ft h es e c o n d a r y i n p u t o u t p u tw a v e s c a l lb er e d u c e dt oav a l u eo f1 4a n d1 6o ft h e i rc o r r e s p o n d i n g i n i t i a lw a v e s r e s p e c t i v e l y o w i n gt ot h i si m p r o v e m e n t am o r er e l i a b l el o a d u n l o a d c u r v ew a so b t a i n e da n dt h et e n s i l ei m p a c t r e c o v e r ye x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ew a s u p d a t e d t e n s i l ee x p e r i m e n t so nt h ec p t iw e r ec a r r i e do u ti nat e m p e r a t u r er a n g eo f 2 9 8 k 9 7 3 ka n das t r a i nr a t er a n g eo f1 0 3 s l 1 4 0 0 s 一 t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a t 1 t h ed e n s i t yo fd e f o r m a t i o nt w i n n i n gd e c r e a s e sr a p i d l yw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w h i c hl e a d st oan o t i c e a b l ed i f f e r e n c eo fs t r a i n h a r d e n i n gr a t e a tr o o mt e m p e r a t u r e 2 9 8 ka n dh i g h e rt e m p e r a t u r e s 2 c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t e dc o m p r e s s i o nt e s t i n g r e s u l t s t h ec o m p r e s s i v el o a d i n gi sa p tt op r o m o t ed e f o r m a t i o nt w i n n i n g 3 t h et o t a l e l o n g a t i o nv e r s u st e m p e r a t u r ec u r v e ss h o wm u l t i p l eh u m p sa n dv a l l e y s h o w e v e r t h e r ee x i s td i f f e r e n tt r e n d su n d e rd y n a m i ca n dq u a s i s t a t i cl o a d i n gc o n d i t i o n s 4 t h e y i e l dp o i n ts h o w sac o m p l i c a t e dt e m p e r a t u r ea n dr a t ed e p e n d e n c e s t r e s so s c i l l a t i o n s a p p e a ri nt h eh i g h r a t eh i g ht e m p e r a t u r es t r e s s s t r a i nc u r v e s t h ed y n a m i ci s o t h e r m a ls t r e s s s t r a i nc u r v ea tt 2 9 8 k 营 3 0 0 s 一1w a s o b t a i n e du s i n gt h ed y n a m i cr e c o v e r ye x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e c o m p a r e dw i t ht h e d y n a m i ca d i a b a t i cs t r e s s s t r a i nc u r v e i tw a sf o u n dt h a tt h es t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo f c p t ie x h i b i t e di nt h ei s o t h e r m a ld e f o r m a t i o np r o c e s sa r em a r k e d l yh i g h e rt h a nt h o s e e x h i b i t e di nt h ea d i a b a t i cp r o c e s s w h i c hs u g g e s t st h a tt h ea d i a b a t i ct e m p e r a t u r er i s e c a na c c e l e r a t et h ed a m a g eo fc p t i ac o n s t i t u t i v em o d e lb a s e do nt h ed i s l o c a t i o nk i n e t i c sw a su s e dt od e s c r i b et h e s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po fc p t ia tt h ei n v e s t i g a t e dt e m p e r a t u r e sa n ds t r a i nr a t e s f u r t h e r m o r e am o d i f i c a t i o ni n c o r p o r a t i n gt h et w i n n i n ge f f e c tw a sa p p l i e dt ot h e m o d e l t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h es i m u l a t e dc u r v e sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e i ng o o da g r e e m e n t e x c e p tf o rt h ec o n d i t i o ni nw h i c hd y n a m i cs t r a i na g i n gp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ed e f o r m a t i o np r o c e s s t h et h e o r ya n dm e t h o do ft h em e s o s c a l ep o l y c r y s t a l l i n en u m e r i c a lc o n s t i t u t i v e m o d e l w h i c hi sb a s e d o nt h ec r y s t a lp l a s t i c i t yt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w a s e x t e n d e dt oe s t a b l i s ham e s o s c a l en u m e r i c a lc o n s t i t u t i v em o d e li n c o r p o r a t i n gs t r a i n r a t ea n dt e m p e r a t u r ee f f e c t sf o rc p t i s i m u l a t i o n so i lt h es i n g l ec r y s t a lt e n s i l e e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a la n a l y s i so nt h en u m b e ra n dt h es i z eo ft h ee l e m e n to f t h e f e mm o d e ls h o w e dt h a tt h en u m e r i c a lc o n s t i t u t i v em o d e li sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e t h e m o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h et e n s i l er e s p o n s eo fc p t ia tv a r i o u st e m p e r a t u r e sa n d s t r a i nr a t e s t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e lc a nw e l ld e s c r i b et h e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p o fc p t ia n dt h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nd u r i n g d e f o r m a t i o n i tw a sa l s of o u n di nt h es i m u l a t i o nt h a tt h eb a s a ls l i ps y s t e m sa n dt h e p r i s m a t i cs l i ps y s t e m si nc p t ia r ed e t e r m i n a t i v et ot h ee v o l u t i o no fg r a i no r i e n t a t i o n w h i l et h e s l i ps y s t e m sa r ei n s i g n i f i c a n tt ot h i se v o l u t i o n t h ef i n a lp a r ti st h es u m m a r yo ft h ep a p e ra n dt h ep r o s p e c to ft h ef u t u r ew o r k 致谢 本文是在导师夏源明教授和汪洋教授的悉心指导下完成的 从论文的选题 进展一直到成文自始至终都倾注了两位老师的大量心血 多年来夏老师以渊博的 学识和敏锐的物理直觉指引了作者的学习和研究 夏老师所倡导并身体力行的创 新 求实 献身精神使作者受益终生 尤其使作者感激的是夏老师在抱病住院期 间仍然坚持对论文工作进行细心指导 在此谨向夏老师致以深深的敬意和衷心的 感谢 汪洋老师亲自指导了各项具体工作 并在百忙之中对论文进行了仔细的审 阅 确定论文结构并改正了各处错误 作者在此表示衷心感谢 感谢周元鑫师兄在作者初涉科研时给予的大力帮助和指导 感谢龚明老师对 论文提出的宝贵意见 感谢马钢老师 李子然和王硕桂老师对论文工作的关心 感谢聂旭 陈晓宏 昝祥 徐伟 黄胜 宫旭辉和董毅等同学在试验工作上 给予作者的大力帮助 感谢程添乐 昝祥和宋吉舟同学在计算上对作者的帮助 和蔡盛强同学在本构模型方面的讨论使作者获益匪浅 在此表示感谢 课题组所有成员共同营造了浓厚的学术氛围和舒适的环境 与他们的愉快相 处和协作让作者终生难忘 在此一并向他们表示感谢 感谢在合肥一起学习的周钟 姚磊 郭扬波和赵志伟等同学对作者的帮助和 鼓励 衷心感谢我的父母和其他家人在作者求学期间给予的最无私的理解和支持 希望本文的完成能让他们感到欣慰 本文是在国家自然科学基金 高温冲击拉伸试验技术的理论与实验研究 编 号1 0 1 7 2 0 8 0 多晶纯t i 高温冲击拉伸力学性能和变形机理研究 编号1 0 4 7 2 1 1 0 的资助下完成的 借此机会对国家自然科学基金委表示感谢 中国科学技术大学申请博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 金属材料在使用过程中经常须要在高温环境中承受高速变形 一方面 在航 空 航天 舰船等工业领域的高温工作环境中 金属材料被广泛用于制作涡轮工 作叶片 导向叶片 涡轮盘 燃烧室和压气机等部件 其工作环境温度通常在 6 0 0 11 0 0 c i 而且这些部件在承受高温环境的同时件往往不可避免地承受冲击 载荷而产生高速变形 另一方面 很多处于高速变形的构件本身就会产生高温 如金属切削加工成形的过程中 局部的高应变率大变形伴随着大量热量的产生 温度可以达到8 0 0 c 以上 2 州 又如在冲击工程中穿甲弹在侵彻和贯穿装甲的高速 冲击过程中 由于摩擦作用产生的高温同时影响了弹靶的力学性能 5 当工程设 计必须面对上述环境时 对金属材料在常规条件下力学性能及其机制的了解和认 识已经不能满足需要 而必须获得材料在高温动态下的力学性能及其机理 长期以来 人们不仅对金属材料在常规条件下的力学性能及其机理有了丰富 的认识 5 1 6 j 而且对金属材料在准静态下的高温力学性能及其机理和进行了很多 的探索和研究 7 j 对金属材料在常温下动态力学性能 特别是压缩性能 也进行 了较多的探索 8 然而 由于试验技术上的困难 长期以来人们对于金属材料在 高温下的动态力学性能及其机理了解甚少 近几年来仅有一些初步的探索和研 究 尤其对高温动态拉伸性能及其机理的认识近乎空白 这种情况严重影响了 金属材料在高温高应变率极端条件下的使用以及材料的改性和新材料的研制 由 此在固体力学和材料科学领域中形成了一个发展高温动态试验技术 探索高温动 态力学性能及其机理的前沿研究方向p j 钛及其合金由于密度小 约4 5 9 c m i 比强度高 高低温性能好 且有较 好的抗冲击性能 同时在海水和大多数酸 碱 盐中有良好的耐腐蚀性 因此广 泛应用于航空 航天 军事 汽车 生物技术 化工和能源等领域 包括这些领 域中的耐高温和抗冲击结构 i o 1 2 长期以来 人们一直关注常用的铁 铝 铜 等体心立方 b c c 或面心立方 f c c 结构的金属材料 对它们在准静态下的高 温力学性能及其变形机理进行了大量的研究 对它们的高温动态压缩性能也积累 了较多的认识 而钛在8 8 2 以下具有密排六方 h c p 的晶体结构 对于纯钛 中国科学技术大学申请博士学位论文 等具有h c p 结构的金属的高温力学性能及其机理的研究相对较少 1 3 1 4 尤其是纯 钛的高温动态性能及其机理的研究仅有少量报道 随着钛及其合金日益广泛的应 用 对多晶纯钛的研究受到了国际上越来越多的重视 特别是上世纪末以来 对 钛的高温动态力学行为及其机理的探索成为金属材料高温动态力学性能及其机 理研究中的一个热点 综上所述 探索纯钛的高温动态力学性能及其机理具有重要的工程应用和学 术价值 由此形成了本文的主要研究目的 以下对相关领域的现状和发展作一简 要介绍 1 2 高温动态材料试验技术 1 2 1 动态高温材料试验技术的难点 相对于准静态高温材料试验 实施动态高温材料试验存在很大的技术和理论 上的难度 在准静态高温试验中 高温环境一般是通过用高温箱来实现的 即将 试件和加载夹头或长试件封闭在高温环境箱中 而高温环境是通过较长时间电加 热实现的 实现准静态材料试验的高温环境的技术是不可能简单推广到高温动态 试验中的 原因在于动态材料试验技术 即分离式h o p k i n s o n 杆试验技术 是基 于一维波和一维线弹性理论的 在动态试验系统中本身没有夹头 也不允许用长 试件 仅有输入杆和输出杆以及短试件 尽管有可能设计很长的环境温度箱以将 输入杆 输出杆和短试件封闭在其中 但不能保证输入和输出杆在高温和冲击下 仍然传递线弹性波 由此可见 在动态试验中必须发展新的加温技术 该技术要 求在加热短试件的同时 保证在输入输出杆中传递一维线弹性波 1 2 2 高温冲击压缩试验技术 高温冲击压缩试验是通过在h o p k i n s o n 杆上加装各种形式的加温设备实现 的 一般来说 加温的方式可以分为两类 在线加温方式和预加温方式 所谓在 线加温即是在试件与杆相互接触的状态下加热试件 包括与试件相连的杆的相邻 区域 允许杆与试件相连的局部范围内存在温度梯度 考虑温度梯度对应力波 传播的影响 进而修正试验结果 1 5 之 所谓预加温方式即是在加热装置中单独加 热试件 输入杆和输出杆处于室温环境中 在入射应力波到达输入杆末端之前以 中国科学技术大学申请博士学位论文 极快的速度将试件置于输入输出杆之间 从而实施高温冲击试验 2 2 甾 该方法要 求试件与杆接触的时间足够短以防止热传递导致试件中的温度下降和温度场的 非均匀性 至于具体的加热方法 则主要有高温炉加热 感应加热 喷火加热和 红外加热等 f h a n c c 图1 1 在线炉式加温方法 引自文献 1 5 在线炉式加温方法1 1 5 2 6 j 的典型试验装置如图1 1 所示 在这种装置中加温炉 直接包容试件和输入输出杆的一部分进行加温 由于炉腔较大 般认为试件和 炉腔具有相同的温度 所以可以通过热电耦测量炉腔的温度来确定试件温度 由 图可以明显看出 输入杆和输出杆与试样接触的部位在试验中也被加热到较高的 温度 温度升高会使模量出现下降 从而对应力波的传播产生影响 1 9 当温升 较低时 这种影响可能比较小可以忽略 2 0 2 6 但在较高温度下这种影响是不能忽 略的 当温度很高而使杆在冲击载荷下进入塑性时 则无法采用此种装置进行试 验 r o s e n b e r g 1 9 8 6 2 0 j 等用陶瓷杆代替金属杆 降低了局部温度场对试验结果 的影响 然而陶瓷杆非常脆 因而试验操作和试验范围都受到了限制 由图同时 可以看到 入射杆和透射杆被加热会影响应变片处的温度场 而应变片的灵敏系 数对温度十分敏感 而文献中均未提到对这种影响的分析和处理 为了解决在线炉式加温方法中杆的温度过高的问题 有些研究者提出了在线 局部快速加温技术 2 7 典型的装置如图1 2 所示 在此装置中采用了红外线加热 装置 只对试样进行快速加温 可以看出 这种加热方式通过缩短加热范围 并 在较短的时间内将试样加热到所需温度 从而避免了对输入输出杆的直接加温以 及长时间的热传导导致杆中的温升 在线局部快速加温技术在一定程度解决了短试件加温方法的问题 但同时也 带来了下列问题 首先试件局部加温引起的温度均匀性问题 其次是如何表征和 中国科学技术大学申请博士学位论文 测量试件的温度场 现有的装置对试件温度的均匀性均未作深入严格的研究 且 一般采用一个热点耦接触试样表面进行测温 采用这种测温方法来确定和表征试 件温度的可靠性值得商榷 叵酬黧i 竺 小 心 m 胁小 鼬 lf 限 卜s 挣m h2 z o 爪m t 蠲磐1 c当 f己 r 1 i1 1 i l c k b a r 銎沁嘶 l r n h i l h li n hn l l j 碍一l i j e r 刑 l c h 2 1 彝m l n 1 c l 秘 l x 诼m js i o r a g f h i l l r 一 一 t x d i l h o f m 图1 2 在线加温方法 引臼文献 2 7 预加温式加温方法 2 2 2 5 如图1 3 所示 在试验之前试样和杆之间并不接触 单独将试样加热到所需温度之后 再采用手工 2 5 或机械 2 3 2 4 方式将杆和试样快 速接触到一起并立即进行加载 这种方法关键是要控制杆和试样的接触时间 时 间越长 试样中的温度越不均匀 下降也越快 同时杆中的温升也越大 采用机 械式的推进装置已经可以将时间控制在几个毫秒内 2 4 1 这种装置一般采用一个 热电耦来测量试件和杆接触前的温度 并认为接触前后的温度是一致的 这种测 温方法同样也隐含着试件的温度场始终是均匀的假设 因此这种测量和表征温度 方法的可靠性还有待于验证 秦器闰引蓁 n趔 釜 lo u t p u t 8 a r l n p u tb a r p a p e r s t o p s 菱骶 r 至 s e c t i o nv i e w 里 图1 3 预加温式加温方法 引自文献 2 4 1 4 壶 中国科学技术大学申请博 i 学位论文 1 2 3 高温冲击拉伸试验技术 感应线圈 测温孔 眨 锄 试样诋寸卡 一陶瓷套 图1 4 a 采用反射加载的高温冲击拉伸试验装置 引白文献 2 0 图1 4 b 采用飞行楔体加载的高温冲击拉伸试验装置 引自文献 2 4 和高温冲击压缩试验技术相比 在冲击拉伸试验中不能将试件简单快速地置 于输入杆和输出杆之间 因此不可能采用预加温方法加热试样 只能采取在线加 温方式 目前见诸报导的高温冲击拉伸试验装置仅有两种 如图1 4 a 2 0 和图1 4 b 2 8 所示 图1 4 a 是利用分离式h o p k i n s o n 压杆的透射波反射进行拉伸加载的1 1 8 2 5 杆和试样之间采用螺纹连接 螺纹连接方案虽然便于试件与杆的连接 但由于螺 纹形位误差和间隙的存在使得连接段成为超静定系统 从而试验所测得的宏观应 力应变曲线中不可避免地包含了非本构的抖动 引起试验结果的偏差 这种方法 中国科学技术大学申请博士学位论文 已被我们弃用 2 93 0 图1 4 b 的试验装置利用一u 形感应线圈对试件快速加温 然后快速移开线圈 再由飞行楔型体对试件进行冲击拉伸试验 这种装置存在以 下问题 首先移开线圈后很难保证试件温度的稳定性和均匀性 其次这种装置采 用螺纹连接会引起非本构抖动 另外这种装置不是利用一维线弹性波原理来进行 测量 在试验中不能消除惯性效应对载荷输出的影响 所以从严格意义上讲这种 装置是不能进行材料试验的 综上所述 高温高应变率试验技术仍然不成熟 其试验结果的可靠性尚有待 验证 而高温动态拉伸试验则处于初步探索阶段 1 3 金属材料在高温下的动态力学性能研究 1 3 1 金属材料高温动态力学性能的研究 目前很多关于材料高温动态力学性能的变形机理研究都是针对具有典型晶 体结构的纯金属展开的 1 3 2 3 3 1 3 2 1 a m l e n n o n 等 3 l 对不同晶体结构的纯金属的 高温动态压缩力学性能做了较系统的描述 图1 5 是其得到的三种典型晶体结构 纯金属 f c c o f h c 铜 b c c 钒和h c p 钛 在不同温度下的动态应力应变曲线 三种金属的应力应变曲线具有明显的区别 对f c c 铜 屈服强度对温度不敏感 而应变硬化随着温度的增加而减弱 对b c c 钒 屈服强度对温度非常敏感 而 应变硬化却随温度增加变化很小 h c p 钛的屈服强度和应变硬化则对温度均敏 感 3 0 0 2 5 0 墨 襄2 0 0 呐 x i5 0 伪 o 1 0 j 5 0 o c 1 0 50 10 1 50 2 t r u es t r a i n 图1 5 af c c o f h c 铜在应变率为4 0 0 0 s 1 不同温度下的真应力 真应变曲线 6 中国科学技术大学申请博i f j 学位论文 r r u es t r a i n 图1 5 bb c c 钒在应变率为4 2 0 0 s j 不同温度下的真应力一真应变曲线 7 i n l es t r a i n 图1 5 ch c p 钛在应变率为3 9 0 0 s 不同温度下的真应力 真应变曲线 图1 5 晶体结构对金属高温动态力学性能的影响 引白文献 3 1 在对高温动态力学行为及其机理的研究中 关于h c p 金属的报导相对较少 1 3 和f c c 与b c c 金属相比 h c p 金属的变形机理更加复杂 f c c 与b c c 金 属的主要的变形机理是位错滑移 而h c p 金属由于只有一个密排面 主要滑移 系不能提供垂直于密排面方向的滑移变形 所以h c p 金属通常需要通过孪生变 形来提供该方向的变形分量 1 3 1 4 孪生和滑移都对温度和应变率非常敏感 且在 变形过程中两者相互作用并互相竞争 导致高温高应变率下h c p 金属的变形机 理十分复杂 目前对孪晶在变形中的作用也莫衷一是甚至互相矛盾 川 o e t 4 3 一l 1衰一 警 i j p 中国科学技术大学申请博 l 学位论义 1 3 2 纯钛温度和应变率相关的力学性能及其机理的研究 自从上个世纪7 0 年代以来 国际上逐渐开始了对纯t i 在不同应变率及温度 下的力学性能的实验研究 g l w u l f 3 3 1 首先在h o p k i n s o n 杆上对纯t i 的室温冲击 压缩性能进行了实验探索 s h e i k h a h m a d 和b a i l e y 采用在线加温技术通过扭 杆试验得到纯t i 在室温至7 5 0 范围内应变率为0 1 1 2 0 s 1 的剪切应力应变曲 线 并对剪切绝热流动失稳进行了探讨 k t r a m e s h 1 4 等首先在s h p b 系统上实 施了多晶纯钛的低温和室温下冲击压缩试验和冲击压缩加卸载试验 且对准静态 加载下的温度历史效应进行了研究 这些实验结果表明 纯t i 的力学性能是与 应变率和温度相关的 随着应变率的升高和温度的降低 其屈服应力相应增加 屈服后的应变强化效应也增强 且力学性能与温度历史也是相关的 s i a n e m a t n a s s e r 1 3j 采用预加温技术在更大的温度 7 7 k 1 0 0 0 k 和应变率 1 0 3 8 0 0 0 s 以 范围内进行了纯t i 的压缩和冲击压缩试验 获得了更多的温度和应变 率相关的力学性能信息 并发现了纯钛在高应变率下的动态应变时效 d y n a m i c s t r a i na g i n g 现象 还进行了冲击压缩复元试验 并通过复元试验进行了热力解 耦 从而得到了高应变率下的等温压缩应力应变曲线 在变形机理研究方面 n a k a f a r e n c s o n g 和g r a y 等 3 5 4 0 利用t e m 对纯 t i 在不同温度 7 7 k 7 0 0 k 和应变率 1 0 5 1 0 4 s 范围内的变形机制进行了 分析 揭示了密排六方晶体结构的纯t i 的塑性变形机制同时包含位错运动和孪 生变形 文献 4 l 4 2 手旨出 纯t i c a 1 5 8 7 的以位错运动造成的塑性变形主要是 由 型位错的柱面滑移所产生 由于在密排六方结构中的 型位错只有4 个 独立的滑移系统 而对于多晶材料 如果要维持连续变形 则必须要5 个独立的 滑移系统 因此在纯t i 的变形机制中必须要引入孪生机制 s o n g 和g r a y 等 3 9 4 3 4 9 对纯t i 的形变孪晶进行了研究 这些研究表明 由孪晶造成的塑性变形是与温 度和应变率密切相关的 温度越低或者应变率越高 孪晶的影响也就越大 m a y e r s 等 5 0 也通过对纯t i 的压剪实验观察了高应变率下剪切带和孪晶的形成 并且指 出孪晶在剪切带的形成中扮演着重要角色 必须指出 目前关于纯t i 的力学行为及其变形机理的研究仍不充分 例如 诸多文献揭示了孪生是纯t i 塑性变形的一个重要机制 但是对整个塑性变形过 程中滑移机制和孪生机制的互相作用与竞争的研究还有待深化 虽然有关文献利 中国科学技术大学申请博士学位论文 用复元试验进行了热力解耦 但是对热力耦合的影响和机理缺乏深入的研究 虽 然文献 1 3 1 4 揭示了纯t i 的温度历史效应 但对其机理尚未作深入的探讨 另外如前所述 由于试验技术的限制 目前对于纯钛的高温高应变率试验研 究都集中在其压缩性能上 关于高温高应变率的拉伸试验研究则至今未见报导 然而 已有的研究显示纯钛的拉压性能存在很大的差别 拉伸试验对于了解纯钛 力学性能至关重要 例如 在纯钛中平行于晶粒底面的拉伸和压缩载荷会分别激 发不同的孪副 j 由此会导致拉伸和压缩的应力应变曲线出现明显的拉压不对 称性 又如在冲击加载中 由于热力耦合所导致的绝热剪切带对于纯钛的损伤破 坏起着很重要的作用 6 j 在拉伸试验中绝热剪切带导致试件出现几何软化 如颈 缩 而对材料的延性产生很大的影响 6 j 这种影响在压缩试验中是无法显示出来 的 再如n e m a t n a s s e r 在动态压缩试验中发现在某些温度和应变率下纯钛应力 应变曲线的硬化率随应变的增加出现 变化很小一突然增大一再次减小 的 三 段硬化 趋势 并将该种现象归因于动态应变时效 而a s a l e m 等则认为这种现 象是由于在压缩试验中孪晶随应变演化的结果 5 2 1 对纯钛的冲击拉伸试验将有 助于对该现象的理解 总之 可以预期高温冲击拉伸试验能够揭示更多纯钛力学 行为的新规律 并为进一步加深对纯钛变形机理的认识提供基础 1 3 3 多晶纯钛温度和应变率相关的相关本构模型 基于上述的实验和机理分析 s h e i k h a h m a d 和b a il e y l 3 4 采用j o h n s o n c o o k 模型成功的描述了纯t i 在应变率为0 2s i 1 2 0 s q 温度为室温到7 5 0 c 范围内的剪 切力学行为 k t r a m e s h 1 4 l 采用k o c k s m e c k i n g 模型描述了纯t i 在低温和室温 不同应变率下的压缩应力应变关系 该模型能够较好的表征不同温度下单调加载 的力学行为 但是不能够很好表征温度历史效应 n e m a t n a s s e r 等 j 3 基于位错 动力学原理 给出了在较大的温度和应变率范围内的本构模型 该模型能够初步 表征纯t i 的温度和应变率相关的力学行为 但是无法描述其在试验中发现的特 定温度和应变率下出现的 三段硬化率 现象 j i n g y ic h e n g s i an e m a t n a s s e r 等进一步认为该现象是由运动位错与可动点缺陷之间的相互作用所引起的 建立 了多晶纯t i 的新的本构模型 该模型比较好地描述了不同温度和应变率下的应 力应变关系 j 9 中国科学技术大学申请博士学位论文 上述本构模型可分为唯象本构模型和基于变形物理机制的本构模型 其中 j o h n s o n c o o k 模型属于宏观唯象本构模型 此类模型在一定程度上较成功的表 征金属材料力学性能的应变率和温度的相关性 但是该类经验性模型缺乏明确的 物理意义 无法解释影响材料性能的微观机制 因此从材料研究角度出发 宜采 用基于变形物理机制的本构模型 此类模型一般都以热激活理论为基础 目前应 用比较广泛的模型有z e r i l li a r m s t r o n g 5 4 l 模型和m t s 5 5 模型 这些模型能够较 好地从反映控制材料变形行为的物理机制 并且已经在一定程度上较好地描述了 材料的宏观力学行为 尽管如此 上述类模型在本质上仍然是一种唯象描述 没有具体涉及到材 料中的微结构 当所描述的过程涉及到微结构的演化时 模拟结果往往会出现较 大的偏差 l 训 另外 孪晶在纯钛的变形机制中起着十分重要的作用 而已有的 本构模型 包括唯象本构模型和基于变形物理机制的本构模型 均未考虑其影响 在孪晶作用比较显著的时候 难以给出较好的拟合结果 1 3 4 多晶纯钛温度和应变率相关的细观数值本构模型 金属的塑性变形和它的晶体结构特征密切相关 因此晶粒尺度上的力学行 为对金属的力学性能起着决定性作用 上世纪二十年代已经形成了表征单晶力学 行为的晶体塑性理论f 5 6 6 2 该理论认为晶体的变形是由位错的滑移和晶格的畸变 造成的 由于晶体内部存在大量位错 从宏观角度可以认为滑移在晶粒内部是均 匀的 因此可以采用连续介质力学的场变量将滑移机制和宏观塑性行为有机地结 合起来 这种均匀滑移的模型是由t a y l o r 5 6 1 和s c h m i d 5 7 1 等人首先提出的 基于 这种理论模型 对晶体变形几何学和运动学的严格描述是由h 儿1 1 58 j 和h i l l r i c e 5 9 等完成的 a s a r o 和r i c e 6 0 p e i r c e 6 1 以及h i l l 和h a v n e r 6 2 1 对晶体塑 性本构行为进行了详细的综合论述 多晶体塑性行为分析一般以晶体塑性理论为基础 结合数值计算进行研究 上世纪3 0 年代以来 已经发展了多种理论用于确定从单晶塑性变形到多晶体力学 行为的过渡 早期的采用的数值模型主要有t a y l o r 模型 6 3 林同骅模型畔 矛口 k b w 自洽模型 6 5 矛l h i l l 自洽模型 6 6 采用这些模型研究多晶材料时引入了各种 平均化假设 难以真实反映变形过程中晶粒之间的相互作用及其对宏观性能的影 中国科学技术大学申请博士学位论文 响 上世纪8 0 年代以来 较多的研究者采用有限元方法将单晶本构模型和多晶体 中晶粒取向的统计分布结合起来 6 7 6 9 1 形成了多晶材料细观数值统计本构模型的 理论和方法 以下分别简称细观数值本构模型以及细观数值本构模型的理论和方 法 由于这种模型不引入上述假设 所以能够较好地模拟晶粒之间的相互作用 以及由此导致的各向异性和变形局部化 67 1 近二十余年来 已经有较多研究者采用细观数值本构模型对多晶体的宏观 各向异性应力应变关