材料力学行为-第五章-孙巧艳主讲

第五章材料在高速加载下的力学行为高速加载高速作用与物体上的载荷高应变速率（高应变率）一加载速度与材料响应冲击载荷：102-104⋅s-1准静态载荷10-5-10-1⋅s-1极限情况可到106⋅s-11加载速率与应变速率2材料对冲击载荷的响应在高应变速率作用下，材料的应力取决于温度、应变和应变速率。本构关系中动态效应表现出来。材料对冲击载荷的响应1弹性响应外载荷产生的应力低于材料的屈服点，应力波传播不造成材料不可逆的变化，材料表现为弹性变形行为，胡克定律适用。2弹塑性响应应力超过屈服点但是低于1×104MPa，材料的响应可以用耗散过程表述，考虑大变形、沾滞性和热传导等过程，本构方程比较复杂，呈非线性。3流体力学-热力学响应应力波产生的应力超过屈服点几个数量级，材料可作为非粘性可压缩流体处理，材料的真实结构可以不考虑。本构方程用状态方程描述，呈现非线性。对于同一种材料在不同温度和应变速率下的塑性变形机制I：准静态加载：屈服强度对应变速率不敏感，位错行为主导塑性变形过程，为非热机制。温度升高IV：极高应变速率（高于103-105⋅s-1）屈服强度对应变速率极为敏感，塑性变形方式用声子粘滞理论解释。屈服强度II：高应变速率加载屈服强度对应变速率敏感，变形为受位错运动运动主导，为位错运动热激活控制，如位错交割、交滑移和攀移等。III：较低温度和中低应变速率屈服强度对温度和应变速率不敏感，塑性变形机制为孪晶形成主导二高速加载产生的应力波1固体中的应力波纵波横波拉伸波压缩波质点运动方向和波的传播方向相反质点运动方向和波的传播方向相同质点运动方向和波的传播方向垂直。例如扭转波。2一维弹性应力波传播（1）应力波的传播速率细长杆中的应力波传递速率给细长杆施加一个高速轴向载荷，在细长杆中引起应力波的传播。ρεσ/)(ddcl=ρEcl=弹性波的传播速率和弹性模量和密度有关扭转波ργτ/)(ddcT=ρμ=Tc（2）应力波传递引起的应力复合杆模型波在界面AB处部分透射、部分反射。AB面结合良好，质点速度连续VI-VR=VT波阵面：介质中已被扰动的区域和未扰动区域的分界面。应力波在介质中的传播引起的应力（σ）为cVρσ=ρ是密度，c是应力波速度,v是质点的运动速度3一维弹塑性应力波波阵面通过在杆中产生的应力cVρσ=sσσ如果杆的变形便从弹性变形变为弹塑性变形，杆中既有弹性应力波，又有塑性应力波。弹塑性应力波的传播与材料本构关系有关。（a）（b）（c）(a)递减硬化材料022εσdd塑性变形阶段应力-应变曲线为凸面应变增加0εσdd波速逐渐减小，波形愈来愈平坦，称为弥散波。（b）递增硬化材料022εσdd应变增加塑性变形阶段应力-应变曲线为凹面波速逐渐减小，波形愈来愈陡峭，称为冲击波。0εσdd（c）理想硬化材料塑性变形阶段应力-应变曲线近似为直线直线斜率称为塑性模量，记为PPE塑性波传播的速率小于弹性波传播的速率两个波的间距不断加大塑性波产生的应力达到断裂强度或者应变达到断裂应变时，杆便被拉断。对应的应力波传播的速度我们称为临界速度Vc.对于多数金属材料，Vc：15-150m/s；对于塑韧性好的Mn13钢，Vc为230m/s.4高应变速率实验技术—分离Hopkinson压杆技术技术要点1撞击杆由炸药轰击，产生非常高速度撞击入射杆2入射杆和传递杆总称为Hopkinson杆3Hopkinson杆足够长，材质相同。长度远大于试样4应力波通过试样的时间非常短，而且在试样两端时间多次来回反射。保证试样中应力应变均匀。5入射杆和透射杆贴上应变片，可以测出应力波入射应变和透射的应变。试样在高速加载下应力、应变和应变速率的关系RTtRLcAAEdtLcεεεσεε2200000−==−=∫&RεTε反射波的应变透射波的应变C：弹性波速率A和E：Hopkinson杆的横截面和弹性模量A0和L：试样的横截面积和长度三应变的速率对材料性能的影响1应变速率对应力-应变曲线的影响铝应变速率增加，流变应力增加应变速率增加，纯金属应力比合金更敏感低碳钢钛铜扭转（a)-(c)和冲压（d）载荷下应变速率对材料应力应变曲线的影响应变速率增加，应力增加.合金钢钛合金（2）应变速率对强度和塑性的影响应变速率增加，强度增加。塑性在一定范围不敏感或者有所降低，继续增加应变速率，塑性增加。抗拉强度屈服强度断面收缩率延伸率应变速率增加，强度升高，塑性不变。马氏体时效钢应变速率增加，塑性降低，应变速率超过103s-1，塑性又增加。热模具钢断面收缩率屈服强度抗拉强度断面收缩率（3）应变速率和温度的交互作用不同温度，应变速率恒定温度恒定，应变速率改变温度降低温度降低，应力增加应变速率增加应变速率增加，应力增加应变速率增加应变速率增加热作模具钢应变速率增加，屈服强度增加应变速率增加，抗拉强度增加温度和应变速率对奥氏体不锈钢塑性影响的三维图形固定温度：随着应变速率的增加，塑性先将后升；固定应变速率：随着温度升高，低应变速率下，塑性先升后降，高应变速率，持续增加。三冲击载荷下材料的失效模式层裂、纵裂和角裂（1）层裂的形成σmσf在该处产生裂纹裂纹平行于板面，称为层裂。1失效模式入射和反射波背面合成应力（2）纵裂反射波在中心相遇，导致沿纵向形成裂纹。2损伤参数和动态模式（穿甲过程失效分析）（3）角裂反射波在物体边角相遇，产生大于断裂强度的应力，导致角裂。损伤参数：炮弹的动能密度和靶的失效强度的比值。YvD/2⋅=ρρvY炮弹密度炮弹速度靶的失效强度（用剪切强度表示）（1）低速范围，D10-3。D越高，则惯性过程对材料行为愈加重要，显微组织居次要位置。以裂纹扩展方式进行（2）中速范围，10-3D1。流变应力对应变速率敏感性增加，裂纹出现分叉。脆性材料出现破碎现象500m/s（3）高速范围，D1。失效过程取决于惯性作用，显微组织影响小。冲击波应力大大超过材料的强度，材料表现为粘滞性流体特征。局部发生绝热熔化。1000m/s中速范围穿甲弹和装甲板的失效模式装甲板塑性变形穿孔装甲板局部绝热剪切穿孔装甲板背面层裂装甲板背面星状开裂船甲板背面产生碎片和剥落评价穿甲弹和装甲板相互作用的经验公式0221σπ⋅=dmvhh和σ0分别代表装甲板的厚度和强度，m和d代表炮弹的质量和直径，v是炮弹的速度。220dmvhπσ=⋅装甲炮弹两个矛盾的问题1提高装甲的防御能力？2提高炮弹的攻击能力？四材料抵抗冲击载荷的性能指标1动态断裂韧性KId（1）缺口并预制裂纹的三点弯曲试样冲击断裂，如发生线弹性断裂，可以用计算静态断裂韧性的方法计算KIdaYBwPKId6=如果试样塑韧性好，先测试JId，然后换算成KId.)(2aWBEJaId−=Δ)1(2υ−=EKJIdIdP是裂纹起裂载荷，B试样厚度，w是试样宽度，Y形状因子，a是裂纹长度EΔa：裂纹萌生能量；B厚度，w-a：试样净宽度（2）用HSBT技术测量动态断裂韧性2）Hopkinson入射杆将一尖劈楔入V型缺口中，试样沿预制裂纹扩展。3）记录载荷-时间曲线。4）用断裂力学计算KId1）试样为紧凑拉伸试样，预制裂纹试样应变速率增加应变速率增加K&加载速率vBK××=21085.2&冲击载荷铝合金2止裂韧性KIa关心的问题：快速扩展的裂纹能不能停止扩展，评价指标是什么？开展止裂试验，包括裂纹萌生、快速扩展和停止的全过程。裂纹停止扩展后测量断口裂纹深度（a）。Δ裂纹张开位移，E，弹性模量，w为试样宽度，B试样厚度，BN试样净厚度（减去侧槽的深度），Y(a/w)是（a/w)函数。)/()(21waYBBwEKNIa⋅⋅⋅Δ=KIa与KIc的异同KIa是高速加载下的KIc.KIa表征裂纹快速扩展的停止，解理是主要开裂机制KIc是表征裂纹失稳扩展的开始，空穴形成是主要机制。KIc是加载速度的函数，KIa代表高速下的KIc.KIa的实际应用（1）已列入美国机械工程师学会的锅炉和压力容器规程，为低温储罐断裂的主要参数。（2）输油管道用钢的重要参数。（3）核反应堆材料的性能指标。