第六章固体材料的应变率效应与试验技术

主讲：郭亚洲Email：guoyazhouQQ：37168752,冲击与断裂动力学,第六章固体材料的应变率效应与试验技术,6.1固体材料的应变率效应,（1）应变率,应变率的计算,拉伸速度1m/s：,拉伸速度6mm/min时：,材料的应力-应变响应相同吗？,6.1固体材料的应变率效应,（2）应变率效应,7075铝合金无应变率效应,Ti6Al4V钛合金应变率效应明显,6.1固体材料的应变率效应,（2）应变率效应,低碳钢拉伸应力随应变率的变化,不同应变率下低碳钢拉伸应力-应变曲线,106/s,55/s,2/s,0.22/s,0.001/s,上屈服点,下屈服点,极限拉伸应力,6.1固体材料的应变率效应,（2）应变率效应,低碳钢单轴屈服应力随应变率的变化,6.1固体材料的应变率效应,（2）应变率效应,大量试验结果表明，对于很多材料来说，随着应变率的增加：,材料的强度升高，包括屈服强度和极限强度；材料的韧性下降，延伸率下降；材料呈现韧-脆转变。,深入理解材料的力学行为，如变形模式、破坏机理等；完善材料的本构关系，使数值模拟更为精确。,了解材料性能对于应变率的依赖性具有重要的意义：,应变率敏感性：,6.2应变率相关的本构方程,（1）本构方程,本构方程一般表示应力与应变、温度、应变率等物理量之间的关系：,同时，塑性变形往往还与加载历史有关系：,在多轴应力时，应力和应变有多个分量，为简便起见，常用等效塑性应力和等效塑性应变来代替张量形式的应力和应变：,6.2应变率相关的本构方程,（2）经验本构方程,对于很多材料来说，在低应变率（或恒应变率）下，具有幂硬化特性：,同时，材料的流动应力与温度之间的关系一般可以表述为：,6.2应变率相关的本构方程,（2）经验本构方程,应变率对应力的影响可以近似为：,6.2应变率相关的本构方程,（3）Johnson-Cook本构方程,Johnson和Cook在1983年将以上应变、温度和应变率对应力的影响综合起来，提出了J-C本构方程：,J-C模型中一共需要确定五个参数：,J-C模型形式简单、各项物理意义明显，是应用非常广泛的一个本构方程。,6.2应变率相关的本构方程,（4）Cowper-Symonds本构方程,在冲击工程应用中，当满足刚性-理想塑性假设时，可以采用C-S本构：,低碳钢比铝合金具有更强的应变率敏感性。,6.3固体材料实验技术,（1）应变率10-8107s-1范围内的实验技术,物理描述,实验方法,蠕变应力松弛蠕变试验机,准静态变形液压试验机电动丝杆加载,低速动态变形高速液压机旋转飞轮拉伸试验机凸轮塑度计落锤试验机,高速动态变形Hopkinson杆膨胀环Taylor试验,超高速冲击斜板撞击平板撞击脉冲激光加载爆炸加载,惯性力可以忽略,惯性力不可忽略,6.3固体材料实验技术,（1）高速液压试验机,原理与常规液压试验机相同，但是速度更快，也带来更多问题。,MTS高速试验机,6.3固体材料实验技术,（2）落锤试验机,问题：难以达到恒定应变率加载,6.3固体材料实验技术,（3）旋转飞轮拉伸试验机,可以实现近似恒定速率加载。,6.3固体材料实验技术,（4）膨胀环,炸药驱动，激光测量径向位移；当环的截面尺寸远小于环的半径时，可以认为它只受到环向简单拉伸。,6.3固体材料实验技术,（5）轻气炮系统,一级轻气炮：速度最高达到1100m/s;二级轻气炮：速度最高达到8000m/s;,电磁炮：速度最高达到15km/s;,等离子加速器：速度最高达到25km/s。,6.3固体材料实验技术,（6）Hopkins