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AA 7055铝合金在不同温度及应变率下力学性能的实验研究

朱耀  
【摘要】:7055铝合金是目前最先进的商用高强高韧铝合金,具备极高的强度、较好的韧性以及良好的抗应力腐蚀性,具有广泛的应用前景。材料在复杂的服役环境中可能受到各种不同载荷的作用,对材料在不同加载条件下力学行为的研究是完善材料开发、应用以及进行新材料及结构设计的基础。目前,国内对7055铝合金的研究尚处于起步阶段,对于这类新型高性能铝合金在不同加载条件下的力学行为研究仍然十分匮乏,同时,目前也没有一个被广泛接受的本构模型能对该类材料在大的温度和应变率范围内力学行为进行准确描述。另外,作为目前研究材料动态力学行为最为常用的实验设备——分离式霍普金森压杆(SHPB)和分离式霍普金森拉杆(SHTB),在实验方法和实验技术上尚未形成完善、统一的标准,有待进一步的研究和发展,譬如SHPB实验中实现预定应变率的实验参数选取问题,以及SHTB实验中的试样连接方式等。 基于以上背景,本文首先针对SHPB和SHTB实验方法开展了研究和改进工作;然后,较为系统地研究了美国铝业公司生产的AA 7055-T77铝合金在不同温度和应变率下的力学性能及行为,结合微观组织分析对其部分机理进行了初步研究,根据实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正,并对本构模型的适用性进行了检验和讨论;最后,为评估AA 7055铝合金的高速撞击特性,对AA 7055铝合金和参考材料在高速撞击下的厚板成坑行为进行了研究和对比分析。本文主要的研究内容如下: 第一,基于一维应力波理论推导出一个应变率预估公式,以预估公式为核心,提出了一种可方便实现预定应变率的SHPB实验方案设计方法,并通过数值仿真与实验对该方法进行了演示和验证。 第二,设计了一种用于SHTB装置的楔形卡口式试样连接方式,并通过数值仿真及实验测试证明了这种卡口式连接方式是有效可行的。 第三,利用Gleeble热模拟试验机对AA 7055铝合金在不同温度下的低应变率单轴压缩性能进行了测试,温度范围为300~750K,加载应变率分别为0.0005s-1、0.01s-1和1s-1;利用SHPB及改进试样连接方式的SHTB装置对其在常温下的动态压缩性能和动态拉伸性能进行了研究,应变率测试范围为:动态压缩时900~5000s-1,动态拉伸时500~1600s-1;获得了AA 7055铝合金在以上加载条件下的应力应变关系和力学行为。 第四,基于AA 7055铝合金的实验结果,提出了一个包含临界转变温度的温度效应附加函数、一个耦合温度的应变率效应函数和一个包含有效应变的分段应变硬化函数,综合以上结果,提出了一个具有上述特征的修正Johnson-Cook模型。利用该修正模型对7050-T7451铝合金在较大的温度和应变率范围内的流动应力进行了预测,得到的结果与实验结果符合的较好;同时,该修正模型高温下简化形式对AA 7055铝合金在本文研究范围内的流动应力预测结果与实验结果符合得较好,得到的结果均优于Johnson-Cook模型。说明本文提出的修正Johnson-Cook模型对于铝合金材料具有较好的适用性。 第五,对45%体积分数SiCp/2024Al复合材料、2024铝合金及2A12铝合金也进行了部分测试,获得了这3种参考材料的部分力学性能和材料参数。参考材料的实验结果以及文献中的实验数据表明,本文提出的温度效应附加函数同样适用于参考材料以及部分其它材料。 第六,在单次动态压缩的基础上,利用SHPB对AA 7055铝合金和2024铝合金进行不同次数的循环动态压缩测试,通过对宏观应力应变关系和微观组织变化综合分析,研究了AA 7055铝合金动态压缩时剪切局部化的发展过程。发现了铝合金动态压缩时试样内部剪切局部化的形成机理和发展规律。 最后,利用二级轻气炮系统研究了AA 7055铝合金、45%体积分数SiCp/2024Al复合材料和2A12铝合金的厚板结构在高速撞击下的成坑行为,撞击条件分别为: 4.76mm直径2017铝合金球形弹丸,速度范围为1.40~4.47km/s;5mm直径GCr15钢球弹丸,速度范围为1.56~2.36km/s。并对AA7055铝合金和2A12铝合金靶板上弹坑周围的微观组织进行了金相观察和分析。结果表明,靶板材料的力学性质对成坑的尺寸与形貌都有显著的影响,成坑深度与材料强度成反比。 本文发展和改进了SHPB和SHTB实验方法;较系统地获得了AA 7055-T77铝合金的力学性能,并初步获得了其部分力学行为的微观机理,建立了表征该类材料在不同温度和应变率下力学行为的本构模型。本文取得的研究成果对动态力学性能测试方法和7055铝合金等新型超高强铝合金的材料设计、开发以及工程应用具有一定的指导意义和参考价值。


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