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块体非晶复合材料爆炸焊接冲击动力学问题研究及其实验制备

付艳恕  
【摘要】: 块体非晶复合材料诸多优异的物理、力学性能,使其在民用及国防领域具有广泛的应用前景。但由于急冷凝固制备手段的冷却速率约束,使得三维尺寸难以形成大尺度块体而限制了实际应用。块体非晶复合材料制备是目前研究的热点,国内、外均开展了广泛而深入的研究,开发了诸多制备方法,使块体尺寸得以有效的扩大。其中爆炸焊接制备是重要的手段,得到了广泛的重视。应用此法制备块体非晶复合材料是典型的冲击动力学问题,以此为中心,本文开展了系列研究。 对非晶薄带爆炸焊接制备块体非晶复合进行讨论。基于弹性薄板静载弯曲理论知实验不能采用间隙铺设;又由于表面粗糙度能为焊接提供层间碰撞空间,因而采用叠层铺设,并就薄带组叠层密度与冲击温升内在关系进行分析。再考虑到非晶薄带较高的硬度及温度敏感性,使其复合下限偏高而上限较低,导致复合窗口狭窄。针对以上困难,提出对非晶薄带进行了涂层;再根据应力波理论,借签损伤力学思想对实验装置进行缺陷设置,以加速反射拉伸波的衰减,从而相应提高焊接上限。另外,对薄带组受爆轰驱动的宏观运动过程进行研究,得到位移、密度及速度时程曲线;根据有限元理论对EPIC-2D程序进行相应的修改,以完成对爆炸焊接过程层间碰撞数值模拟,以了解碰撞过程中焊接界面应力、应变情况及碰撞产生的界面温度场。最后对多层薄带爆炸焊接制备非晶复合块体进行实验,将所得块体进行切割测试,并从冲击动力学及晶化动力学两个角度对实验效果进行分析。 分析结果表明非晶薄带组爆炸焊接过程中冲击温升不可忽略,通过调节薄带组装填密度可以控制冲击温升。对薄带进行涂层不仅能降低焊接下限,且能改善薄带组受热状况,更有效地保护其亚稳态结构;而实验装置的缺陷设置可以加速反射拉伸波的衰减,保护复合界面不被撕裂,成功提高焊接上限;综合效果表现为扩大焊接窗口。薄带组三条宏观运动曲线均明确体现了冲击加载过程中的惯性及应变率延迟等效应;有限元法模拟得到的应力、应变及温度场云图说明碰撞过程中界面及内部非晶成分能保存完好。样品X射线衍射及DSC测试结果均表明其结构仍呈非晶态,SEM照片反映涂层界面及复合界面结合良好,薄带未因冲击而发生碎裂。认为隔离了爆轰产物直接作用,转移了碰撞应变、应变率及绝热剪切热,使非晶不能发生结构驰豫,又由于复合过程中压力及热效应的瞬态性,避免扩散形核晶化。


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