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HR2及几种铁基合金的冲击相变与断裂现象研究

唐小军  
【摘要】:HR2抗氢钢是铁基材料的一个新品种,在许多重要工程结构中得到应用,对其动载性能的研究只进行了较高压力段冲击绝热线数据的测量,未对其在爆炸载荷下是否发生类似大多数铁基材料中的冲击相变行为进行过专门研究。本论文主要关心HR2的动载力学性能和行为,观察冲击载荷下微观组织的变化会不会主导该材料在中低应力范围内的整体力学表现及其断裂行为。选取了工业纯铁D72作为铁及铁基合金冲击相变行为研究的标准样品,还选取了与HR2成分同系列的不锈钢FeMnNi开展对比实验研究。 实验采用双灵敏度VISAR测试技术对一级轻气炮加载下的HR2、DT2和FeMnNi等几种铁及铁基合金的冲击相变行为及其破坏特性进行了实验研究。获得了DT2和FeMnNi自由面速度的典型的弹性波—塑性波—相变波三波结构。DT2在高于相变应力的等厚对称碰撞下出现了二次层裂,低于相变应力时五层裂;FeMnNi在高于相变应力的非对称碰撞下出现了浅表层裂现象,显然相变波体系对层裂起到了主导性作用。对HR2在中低应力段的不同加载强度下均只测得了弹塑性双波结构,没有观测到预期的相变波,实验后回收样品的微观金相组织显示其组织局部发生了变化。冲击相变带来了丰富的现象表现,对应的物理过程值得深入研究。 本文还对化爆加载下的HR2和DT2等进行了实验研究,对实验研究过程中出现的层裂等损伤现象进行了分析。一维平面爆轰加载下DT2楔形样品内部呈现出明显的层裂纹,与E.A.Kozlov在滑移爆轰加载下仅在样品外表斜面的局部观测到层裂相比,破坏形貌有很大的不同,说明加载模式对材料的破坏存在影响。 同时还对部分实验结果进行了初步数值模拟。在二维有限元编码DEFEL程序中采用不含相变的弹塑性本构,并嵌入损伤度函数模型,对HR2进行了数值模拟,得到了与实验较为一致的拟合曲线。同时利用一维POT程序和考虑冲击相变的三段式拟合唯象物态方程对DT2进行了数值拟合,亦得到了与实验结果相近似的加载段速度曲线,但对涉及卸载及层裂过程的计算,还需更完备的本构和断裂模型。 研究结果加深了对冲击加载下HR2、DT2和FeMnNi等材料冲击相变行为的规律性认识。从取得的实验结果可以看到,HR2不同于普通的铁基材料及许多成分相类似的不锈钢,冲击加载下不会表现出典型三波结构形式的冲击相变行为,卸载过程中的断裂表现也未受到该过程影响,即冲击相变不是HR2在中低应力范围内材料动载行为的主导因素。


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