延性金属动态拉伸断裂的微损伤聚集特性研究

延性金属动态拉伸断裂的微损伤聚集特性研究高强动载下延性金属的动态拉伸断裂(层裂)是材料动态损伤断裂的一种典型方式,也是与武器物理过程紧密相关的重要基础性问题。延性金属的层裂是由于在冲击波作用下,两束相向运动的稀疏波相互作用产生的拉伸应力脉冲。激活了材料内部非均匀的微细观结构,引起了材料内部微损伤形核、增长以及聚集,最后形成宏观断裂面的物理力学过程。目前,针对延性金属动态损伤演化的微损伤形核和增长阶段已经获得了较为充分的认识,但是对于损伤演化最关键也是最重要的聚集阶段依然缺乏足够的认知和理解。这是因为,一方面,相对于微损伤的形核和增长,微损伤的聚集是一个迅速发展的过程,实验上很难直接观测;另一方面,微损伤的聚集行为是多尺度强耦合的动力学过程,难以建立微细观尺度与宏观断裂行为之间的关联。本论文在一级轻气炮上开展了冲击波加载实验,通过设计微损伤聚集的时间相关性实验,获得了微损伤聚集演化的动力学特征,建立了微损伤聚集的高精度量化测试方法,提出了微损伤聚集的键逾渗模型,通过数值模拟研究校验了模型的适用性,并对微损伤聚集演化特征进行了深入解读。论文的主要工作和创新点如下:(1)基于微损伤聚集行为的强时间相关性特征,设计并开展了可调控时间的动态拉伸实验。提出了通过控制冲击加载速度,解耦加载应力这一动力学条件的设计思路。在恒定的飞片-样品厚度比下,通过飞片厚度的变化,实现了对动态拉伸实验卸载时间和应力持续时间的调控。在理论分析的基础上,指出该设计对时间的调控,体现在宏观自由面速度数据上是对拉伸应变率的调控,有效地解决了拉伸应变率不可独立调控的难题。以一级轻气炮为实验加载设备,实现了对高纯铜样品的拉伸应变率调控,并测量了样品自由面速度,以及获得了用于损伤聚集特征细观表征的实验样品。宏观自由面速度数据表明,高纯铜的层裂强度随拉伸应变率的增加而单调递增,并具有明显的临界行为特征,当应变率低于临界应变率(60000s-1)时,Pullback点后的回跳斜率随应变率增加缓慢增加;但是当应变率高于临界应变率时,Pullback点后的回跳斜率随着应变率的增加而迅速增大。(2)基于跨尺度特征关联的学术思想,建立了微损伤聚集的高精度量化测试方法。针对损伤量化表征的宏观统计和微细观特征之间跨尺度的关联性,提出了能够实现大范围、连续、高精度测量的表面轮廓测试技术。建立了以准三维信息统计为基础的微损伤识别方法,实现了对mm尺度损伤的准确识别;提出了损伤量化的新算法,将损伤度曲线的空间分辨率由传统方法的百mm尺度提高到了mm尺度。对高纯铜的损伤特性分析指出:受损伤演化各阶段主导机制的影响,微损伤的空间分布表现出不连续性特征,微损伤的聚集行为影响着损伤的分布特征和规律,并且表现出两个临界尺寸特性,即初始聚集尺寸和终态聚集尺寸。(3)基于对微损伤聚集过程中形状演化规律的统计认识,以临界损伤演化动力学模型为基础,建立了包含形状演化特征的微损伤聚集的键逾渗模型。通过对微损伤聚集行为分析,指出聚集行为是在外加场作用下,具有一定倾向性的场致逾渗过程。采用含非球形损伤的单胞模型,建立了微损伤聚集的逾渗软化函数模型。通过定性分析指出:该模型能够体现微损伤初始聚集以及最终断裂的临界性行为特征。而且由于本论文模型中考虑了微损伤聚集过程中拓扑形态的影响,模型预测材料的初始聚集临界损伤度与断裂临界损伤度比传统模型更低,内部应力松弛速率更快。针对高纯铜的微损伤聚集的形状演化规律,建立了微损伤聚集的拓扑特征与损伤串级演化的跨尺度关联,通过对实验的回收样品损伤状态和形状因子的闭环分析,确定了键逾渗模型的参数。(4)开展了微损伤聚集的数值模拟研究,并对宏观自由面速度响应与微细观聚集特性之间的关联进行了深入解读。通过对宏观自由面速度的计算和比对,分析了微损伤聚集的主要影响特征,以及微损伤聚集的逾渗模型对跨尺度行为的关联能力。通过对高纯铜具有不同终态损伤实验的模拟指出:样品内部聚集程度越高,聚集效应对Pullback点之后自由面速度的影响范围就越宽,模型能够很好地再现不同加载条件下的自由面速度曲线,具有较强的适用能力。通过对平均损伤演化速率与拉伸应变率的关系分析,指出随着拉伸应变率的增加,损伤演化速率呈现出临界性特征,印证了宏观的Pullback点后自由面速度回跳特征的临界行为