材料动力学行为

1、1,任课老师： 张晓伟 9号教学楼503,Dynamic Behavior of Materials,2,References,塑性动力学杨桂通著, 第1、2章 冲击动力学进展王礼立等著， 材料的动力学行为张庆明译 Dynamic behaviors of materials Marc Andr Meyers,第二章 材料的动态本构关系 (Dynamic constitutive relations- 5 hours),1. 材料的动力特性 (Dynamic characteristics) 2. 本构方程的理论框架 (Theory construction of CEs) 3. 率相关本构模

2、型 (Rate-related constitutive models) 4. 内变量型粘塑性本构方程 (Viscous-CEs) 5. 动态本构的实验标定方法 (Experimental methods),3,材料强度随应变率的变化而变化或材料表现其它静力作用下所没有的性质。 (Strain-rate effect， Inertia effect),2.1 材料的动力特性,4,应变率效应是从实验研究开始（1872年开始）的。最早进行材料动态实验的是Hopkinson父子俩。他们的得到了三个结论：,7,（1）在B端破坏 （2）与落锤质量无关， 仅与高度有关 （3）强度是静态的两倍,8,Ludw

3、ik(1909)用长为3m，直径为3mm的锡线在试验机上做动力拉伸试验。拉力F为19.6147N（215kg）。得出了在不同加载速率下的F 曲线。,9,图中 对应于静载。实验结果表明，加载速度提高时，应力应变曲线也相应提高。,10,Seibel和Pomp(1927)，Deutler(1932)又做了铁、铜的动力实验，结果表明：屈服极限和瞬时应力均随应变率增高而提高。,11,Deutler(1932),12,1914年，B.Hopkinson设计了压杆实验技术，后来，经过Davies、Kolsky多次修改，定名为分离式压杆技术（SHPB），用以进行材料动态力学性能试验研究。下图是Kolsky用自

4、己设计的SHPB技术对铜和铝试件的所做的实验结果。,13,铝和铜的动态实验结果图如下,14,从上个世纪三十年代以来，已有不少人做了动态实验。根据他们的实验结果，可得到如下规律： 1. 屈服极限有明显提高。下图为软钢的实验结果,15,软钢的实验结果：,16,当应变率 时，屈服极限提高约一倍，即由271MPa到576MPa，实验还表明，软钢的动态屈服强度提高最为明显，约为23倍。,17,19,20,几种合金的应力-应变曲线对应变率的依赖效应 淬火合金钢，应变率：A-2400，B-1660, C-25, D-0.01 退火钛， 应变率：A-2000， B-1250， C-400， D-0.01,2.

5、 瞬时应力(Instantaneous stress)随应变率的提高而提高。 在同一应变值下，动态应力要比静态应力高，两者差称为过应力。许多金属都有这种现象。但是不同的材料，其应变率效应也是不同的。 应变率效应显著的材料称为应变率敏感材料 (strain-rate sensitive)。,21,22,3.各种工程材料存在一个应变率敏感性界限。,金属材料的应变率敏感性界限大约在,之间。,23,当 时，属于静态情况，不计应变率效应 当 时，应变率效应不太明显，增加新的内容，需考虑流动特性、可压缩性效应、熔化、气化等。,25,引入应变率敏感系数，作为表征材料应变率敏感性的参数 为塑性应变率,26,对

6、大多数金属，在很宽的应变率范围内，近似为一常数。,27,Lindholm(1964),28,其中 在 都是一个确定的值。若写成无量纲形式，则有：,29,由此可得上述式。若应变率较高，则瞬时流动应力不再随应变率的对数而变化，有下列线性关系：,30,称为粘性系数。,31,4.瞬时应力随温度升高而降低,铝,32,5.应变率历史效应 (Historic Effect) 1971.Nicholas 铝合金,33,0-0 0 0-1 1.95kpa/s 0-2 19.5kpa/s 0-3 195kpa/s 0-4 1.95Mpa/s 0-5 19.5Mpa/s,不锈钢,34,以上表明固体材料对应变率往往是

7、有记忆的，称为应变率历史效应。,35,(1)铁锰铝铸造合金与铁锰铝硅铸造合金具有不同的表观应变率敏感性:铁锰铝合金是明显的应变率强化材料(正向应变率效应),而铁锰铝硅合金在变形早期表现为应变率不敏感,随应变增大则出现反向应变率效应;两者在更高应变率下都呈现反常的应变率弱化倾向(反向应变率效应)。 (2)虽然在准静态下铁锰铝硅合金的强度高于铁锰铝合金,但在高应变率动态加载下铁锰铝合金的强度反而高于铁锰铝硅合金。,36,个别材料也具有反向应变率效应,复合材料等非金属材料的高应变率响应方面，可靠的试验数据还很少。 冲孔-加载SHPB装置， SHPB压缩实验装置， SHPB拉伸实验装置 (牛津大学 ：撞击、拉伸),非金属材料的应变率响应,37,非金属材料（Non-metallic)的种类： 聚合物(Polymer), 陶瓷(Ceramic) 泡沫材料(Foam), 复合材料 (Composite) 纺织/编织材料(Textile/Woven) 生物材料(Bio-material),