材料高温动态力学性能多功能实验装置的研制

本项目涉及高温高应变率条件下材料动态性能实验装置和测试系统的研制及其关键技术的研究。研制的实验装置是基于压剪炮高速冲击实验装置经技术改进发展而成，具有多功能和多用途的特点。该装置在保留了压剪炮装置本身具备的功能外，还增加了两个功能。其一是该装置可以从事材料高温高应变率动态性能的实验研究。即在20－1000℃的大气环境中，进行冲击速度小于200 m/s，应变率为10－1000000 /s量级的材料高温动态性能的实验研究。施加的应力波载荷形式可以是压剪复合应力波、动态压缩波以及剪切应力波；其二是该装置可以进行材料高速切削过程的模拟实验研究。即在材料高速切削的主要特征得到满足的前提下模拟高速切削过程。这些特征是指升温率在10-10000℃/s范围或者更高，切削力产生的应变率达到1000000 /s量级，切割速度范围为100-1000 m/s以及局部剪切区域的材料经受大变形等。

机加工工艺广泛用于产品的成型和制造领域。其中材料去除现象涉及切屑与工件的分离和耗能过程。揭示机加工过程的物理本质取决于对这两个过程的正确认识。这就需要首先通过实验研究获得切削过程相关的关键参数。例如塑性变形、温度变化、切割力和切屑形态等基本信息。为此，本项目开展了高温和高应变率条件下材料动态性能实验装置和测试系统的研制及其关键技术的研究。在完成既定研究内容基础上进一步开展了低碳钢和钛合金等金属材料正交切削的模拟实验研究，对不同形态切屑的形成机理进行了理论分析和数值模拟研究。.三年资助期间完成的研究内容和取得的科研成果主要有以下几方面：.1）为拓展材料动态性能压剪炮实验装置的使用功能，技术上对其关键结构进行了合理改进。针对非接触石英灯热辐射瞬态加热过程完成环境温度可调控的高温腔体的设计和研制；为实现中低速冲击实验，设计了大长径比柱形弹托。发展了大长径比子弹发射技术。理论上建立了冲击速度、高压腔体气压和子弹质量间的关系；针对材料动态性能的高速平板撞击实验设计和研制了样品高精度定位调节机构。飞片与样品的撞击平面度达到10-2 mrad量级；针对材料高速切削过程的模拟实验研究，研制成模拟材料高速切削过程的实验平台。并完成与其配套的切刀和样品高精度定位调节机构的设计和研制。实现了速度范围为30-200 m/s的材料高速切削模拟实验研究；为实现切削模拟实验中切刀和样品的温度和切割力的测量，发展了非接触式单点瞬态红外温度测量系统和物体内置热电偶测量技术。研制成切削力的测试系统并形成相关的技术。.2）为始终保持本项目研究课题处于国际相关领域的领先状态，开展了材料超高速切削模拟实验平台的研制。切削速度达到400-1500 m/s。实现了材料超高速正交切削过程的实验模拟。.3）完成低碳钢和钛合金等金属材料正交切削过程的模拟实验研究。获得连续状和锯齿状两种切屑材料，并进行了扫描电镜微观分析。观察到连续状切屑的形成过程伴随着晶粒细化或再晶化现象。锯齿状切屑的形成主要由剪切局部失稳现象产生。.4）在材料正交切削中两种切屑形成过程的实验观察基础上，开展了普遍加载条件下材料失稳行为的理论分析，提出描述材料失稳的普遍准则。应用获得的分析结果和普遍准则、结合数值模拟技术，研究了材料在正交切削过程中的形成机理。发现不同切屑的形成与复杂加载状态的加载路径相关，主要取决于材料塑性流动的拉压变形与剪切变形的