电磁加载下金属柱壳中多条绝热剪切带的自组织特性研究

Adiabatic shear band is one of the most important failure mechanisms in ductile metals deformed at high strain rates, we intend to study the self-organization of multiple shear bands in thick-walled cylinder (TWC) driven by electromagnetic sleeve. The self-organization of multiple shear bands in TWC consists of two aspects: firstly, there is a characteristic spacing between adjacent shear bands; secondly, all the shear bands develop in the same direction ( clockwise or counterclockwise), namely the consistency of shear band development direction. At present, there are quantities of theoretical models for calculating the shear band spacing, but all with poor predictions. A series of experiments with different strain rates will be carried out to determine the relationship between the shear band spacing and strain rate. Through validating the universality of the relationship in different materials, a new method for predicting the shear band spacing is expected to establish. The consistency of shear band development direction is closely associated with the machining layer of the cylinder. In this project, cylindrical specimens with different microstructures at their internal surface are produced through polishing, annealing and other machining methods. Experiments with these specimens will be carried out to reveal the cause of the consistency of shear band development direction, and further on, to study its influences on the initiation and propagation of shear bands. The damage and rotation of grains with special direction in the machining layer aren't traditional material parameters. Combining with a probabilistic constitutive relationship, we intend to explore modeling methods suitable for describing the features of work-hardened layer.

绝热剪切是韧性金属在高应变率下最重要的变形与破坏机制之一，本项目拟使用电磁套筒技术加载厚壁圆筒压缩剪切失稳来研究多条剪切带的自组织行为。厚壁圆筒中剪切带的自组织行为表现为两方面：1、相邻剪切带之间的间距存在一个特征尺寸；2、剪切带的发展方向在45°和135°两族中出现一族占优的“单旋性”现象。现有的理论模型无论从定量还是定性上都无法预测实际中的剪切带间距，本项目拟通过实验确定剪切带间距与应变率的关系，并初步考察该关系对不同材料的普适性。“单旋性”现象与柱壳内表加工层关系密切，本项目拟使用抛光、退火等手段制作不同内表微介观状态的柱壳，通过系列对比实验得到“单旋性”现象的起因及其对剪切带特征量的影响规律。加工造成的表面晶粒特定取向的损伤、旋转不是传统的材料参数，本项目拟对加工层进行微观表征，提取特征因素，结合概率型本构关系，探索适合于描述内表加工层特征的建模方法。

绝热剪切是韧性金属在高应变率下最重要的变形与破坏机制之一，在大量的工程实际动态问题中，往往会形成多条绝热剪切带，本项目针对多条绝热剪切带的力学行为开展了系列实验与数值模拟工作。经过三年研究，共完成有效动态实验12发，开展数值模拟算例22个，取得如下成果：1) 实验技术建立：基于本单位的FP-1电磁内爆加载实验平台，建立了电磁加载下厚壁圆筒内聚压缩绝热剪切失稳实验技术，通过合理设计装置，实现驱动铜管和样品运动速度历史、流经驱动铜管电流波形的同时测量以及样品的完整回收，且实验装置加载的轴向一致性和环向对称性好，实验结果的重复性高，为研究多条绝热剪切带力学行为提供了良好实验平台。2）数值模拟模型及程序：提出在本构模型中引入概率因子的方法描述材料的微介观不均匀性，通过材料硬度测试得到了概率因子模型参数，并基于自编有限元程序成功再现了多条绝热剪切带的起始与传播过程。3）剪切带间距的应变率效应：实验研究发现，304LSS中剪切带的起始应变远大于304SS，而且随着应变率的升高，剪切带的萌生应变越大；数值模拟结果表明剪切带间距与应变率的-0.61次方成正比，但需要注意的是，绝热剪切带间距主要与剪切带萌生时刻的实时应变率相关，而不是加载的平均应变率，数值模拟研究了表面缺陷数量与剪切带数量的关系，发现存在一个缺陷数量的窗口区，在窗口区内剪切带数量完全由缺陷数量控制。4）表面细观结构的影响：实验研究发现柱壳内表微观状态不会显著影响绝热剪切带的起始应变，但会影响剪切带的扩展方向，车削造成的表面晶粒旋转会使绝热剪切带沿着晶粒旋转方向扩展，呈现“单旋”现象，使用慢走丝加工或抛光掉表面加工层后，剪切带呈“双旋”模式；数值模拟中使用周期性单旋扰动来描述晶粒的旋转，成功再现了多条绝热剪切带的“单旋”模式。本研究获得的关于剪切带间距应变率效应和表面细观结构影响机制的规律认识，对于武器抗断裂性能的设计和破片尺寸的控制具有重要的指导意义。