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强冲击载荷作用下LY12铝合金的准弹性卸载特性及层裂研究

俞宇颖  
【摘要】:强冲击载荷作用下材料的强度和动态卸载特性研究对于全面认识和更深入理解冲击波作用下材料的动态响应特性和研究层裂破坏规律具有重要科学意义。本文应用加窗VISAR技术,以高压声速测量为基础,通过实验研究、理论分析、计算机模拟等综合手段,对强冲击压缩下LY12铝的剪切模量、准弹性卸载响应特性进行了较系统的研究,探讨建立高压本构关系的方法;通过追赶稀疏波对矩形冲击波衰减形成的三角形波对LY12铝的层裂行为进行实验和数值模拟研究,发展了基于空穴聚集机理的层裂模型。本文主要内容如下: 1、发展了利用加窗VISAR技术测量高压声速的实验方法。 本文全面分析了应用加窗VISAR技术测量金属样品高压声速的基本原理,以及加窗VISAR测量声速的优点及需要解决的一些关键技术问题,给出了进行高压声速及卸载路径测量的实验装置设计原则。在此基础上,设计了对称碰撞及非对称碰撞测量LY12铝高压声速的实验装置,获得了高质量的VISAR实验信号和声速数据,并建立了从声速测量实验数据和粒子速度剖面数据计算卸载路径的方法,编制了相关计算程序。 2、测量了LY12铝在20~131GPa冲击压力范围内的纵波声速及体波声速,并揭示了纵波声速在冲击熔化压力区的特征,获得了包含强度影响的卸载路径: 从实验测量获得了LY12铝在20.3~131GPa冲击压力下的卸载波速度随粒子速度的变化。其中纵波声速与McQueen等用光分析法得到的2024铝的纵波声速数据有较好的一致性,并与文献报道的纵波声速与冲击压力的拟合关系非常符合;表明本文发展和建立的声速测量技术是可行的,获得的声速数据是可靠的。另一方面,LY12铝在接近冲击熔化压力时冲(125Gpa)纵波声速继续随压力增大,在发生冲击熔化后的固液混合相区(125Gpa~150GPa)纵波声速也没有突然衰减为体波声速,而是随压力的增加逐渐下降到体波声速。显示了金属材料在冲击熔化压力附近强度特性的异常性质。 实验测量的卸载波速度中的塑性声速与粒子速度呈现出良好的线性关系。通过将塑性声速按粒子速度线性外推到初始冲击压缩状态,得到了在20、32、56和70GPa四个冲击压力点的体波声速。体波声速数据与Gruneisen状态方程计算的流体声速(ργ=ρ_0γ_0)数据符合很好。表明本文发展的声速测量技术能够同时得到在初始Hugoniot状态的纵波和体波声速,克服了传统的光分析法的固有缺陷缺点,为研究冲击压缩状态下的剪切模量提供了基础。


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