高速冲击下金属材料剪切失效特性实验-模拟方法研究

Adiabatic shear instability is an important failure mode of metallic materials under impact loading. The shear behaviors of materials at strain rates over 10^5 /s are often studied by high speed pressure-shear plate impact experiments. However, many difficultis have been encountered in such experiments due to the disadvantages of this loading technique.Focusing on this problem, a novel experiment-simulation research method is proposed in this project on the basis of comparatively sophisticated dynamic measurement and numerical simulation techniques. In the experiment, specially designed shear specimens are tested with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) and high speed plate impact techniques to obtain the dynamic shear properties of the materials. Meanwhile, high speed photography and metallographic examination are also used to study the formation process of adiabatic shear bands (ASB) and the microstructural evolution in the materials. In the numerical simulation, the experimentally obtained constitutive model and state equations will be used to simulate the impact shear experiments, aiming at determination of mechanical responses of the materials under high strain rate （>10^5 /s） in the state of nearly pure shear. The mechanical conditions for the initiation and development of the adiabatic shear bands are then determined according to the high speed photography results. This project will provide a novel methodology and technique for measurement of high strain rate shear properties and failure mechanism of engineering materials.

绝热剪切失稳是金属材料在冲击载荷下的重要失效形式，为研究超过10^5 /s应变率下的冲击剪切行为，一般采用高速压剪飞片技术实现对材料的动态加载，但该技术因自身存在诸多弊端而给材料高应变率剪切下的失效问题研究带来了很大困难。针对该问题，本项目在合理设计剪切试样的基础上，结合相对成熟的动态测试和数值模拟技术提出了一种新型实验-模拟研究方法。实验方面,利用SHPB和高速飞片技术实现对材料的动态剪切加载和力学性能测试，同时利用高速摄影和金相分析等手段，对绝热剪切带的形成过程和材料的微观组织演化进行研究；数值模拟方面，基于实验测得的本构关系和状态方程，对材料的冲击剪切实验进行动态模拟，获得材料在高应变率（>10^5 /s）下接近纯剪切状态的力学响应，并结合高速摄影和微观分析结果确定绝热剪切带萌生和发展的力学条件。本项目将为工程材料的高应变率剪切特性和失效机理研究提供新的测试方法和手段。

工程结构在服役期间难免受到由爆炸、冲击引起的强动态载荷的作用。在诸如此类的极端载荷条件下，应变率可达104 s-1以上，金属材料极易发生由绝热剪切引起的变形与失效。因此，冲击剪切实验成为研究材料在高应变率、大变形条件下的塑性力学行为的重要研究方法和测试手段。但是相对于轴向拉伸或压缩实验而言，材料在冲击剪切下实验技术因其自身复杂性而发展较慢。传统Hopkinson杆技术只能实现104 s-1应变率以内的加载；在更高的应变率下，一般采用气炮或高速压剪飞片技术作为加载手段，但以上方法技术复杂，而且不易于对实验温度进行定量控制，因而难以被普遍采用。因此，目前尚缺少可在104 -105 s-1应变率范围对材料力学行为进行方便、有效测试的实验技术。.针对以上问题，本研究基于传统SHPB技术提出了一种新型冲击剪切加载技术，通过对新型双剪切试样及配套夹具的设计，使Hopkinson杆系统可以实现的剪应变率接近105 s-1，剪应变达到2以上，同时可方便、准确地获得材料的冲击剪切性能。结合单脉冲加载技术，可以避免应力波对试样的重复加载，便于对材料微观组织演化的观察研究。此外，采用DIHPB技术对双剪切试样进行加载可以进一步获得超过105 s-1剪应变率。通过高速摄影技术可以对剪切区的变形及失效过程进行直接观察，便于对材料在高速冲击下的剪切行为及失效机理进行研究。基于以上加载技术，多种金属材料进行了不同加载条件下的力学性能测试，获得了材料的J-C本构模型。利用数值模拟技术，对高应变率下的加载过程进行了模拟，分析了材料的受力情况，并获得了材料的力学响应。同时，采用金相分析技术对材料在不同载荷条件下的失效模式进行研究，并获得了材料微观组织演化规律。.该方法在成功实现材料冲击剪切力学性能测试的同时，使得Hopkinson杆技术的应变率和应变测试范围均得到了较大程度的提升，为材料在高应变率、大变形环境下的力学行为研究提供了方便、有效的测试手段，因而具有重要的科学意义和工程价值。.