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高氮合金钢的动态压缩实验及动态本构关系

彭霞锋  
【摘要】: 材料动态性能是当前力学性能研究领域中最为活跃的方向之一,研究材料的动态力学性能在力学研究中有其重要意义,对军用和民用新材料的设计具有实际应用意义和科学价值。 在合金钢中,如果铁素体中含有0.08%以上的氮元素或者奥氏体中含有0.4%以上的氮元素,则这种钢就称为高氮合金钢(HNS)。钢中的氮元素与其他元素(Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用,赋予了高氮钢许多优异的性能:如强度高、塑性和韧性好、蠕变抗力大、耐腐蚀性好等,高氮钢的这些性能使它成为穿甲弹和装甲的理想材料之一。因此,对高氮钢的动态性能和动态本构关系研究将具有深远的科学意义。 本论文采用实验测试与理论分析、数值模拟相结合的研究方法,对两种工艺流程制备的高氮合金钢材料进行动态压缩实验,获得了它们的动态应力-应变关系,为研究其动态性能和动态本构关系提供依据。 利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验技术对两种不同工艺流程——空冷和水冷高氮钢材料进行动态压缩实验,得到大量精确的数据,得出这两种材料在不同应变率情况下的应力-应变曲线和动态压缩屈服强度。结果表明:两种工艺流程的高氮钢材料动态应力-应变关系具有明显的率相关性,而动态压缩屈服强度应变率效应较弱,但应变硬化的应变率效应明显。 采用Johnson-Cook本构模型来描述这两种工艺制备的高氮钢材料的动态力学行为,通过对实验结果的拟合,确定了J-C本构模型中的参数,得到的Johnson-Cook本构关系曲线与动态压缩实验所得的应力-应变关系曲线比较吻合,拟合过程在Origin7.0软件上进行。 运用大型通用有限元程序ANSYS/LS-DANY对两种材料的动态压缩试验进行有限元模拟,模拟过程中试件的J-C本构模型参数采用实验数据拟合所得,最后,得到了试件变形情况,并根据模拟数据应用Hopkinson压杆计算程序得出了应力-应变关系,发现模拟结果得到的应力-应变关系曲线与实验曲线比较一致。 对比了高氮钢材料和603装甲钢的弹道极限速度V_(50)(穿透概率为50%时模拟破片或特定弹丸的平均着靶速度),并建立了高速弹丸侵彻高氮钢靶板和603装甲钢靶板的有限元模型,分别对高氮钢材料和目前国内普遍使用的603装甲钢进行了抗侵彻能力模拟,模拟过程中弹丸和靶板的本构模型均使用Johnson-Cook本构模型,得到高氮钢靶板的V_(50)和抗侵彻能力优于603装甲钢的结论。


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