多晶冰力学性能的应变率与温度效应及其微观机制

Dynamic behavior of ice is extremely important for the polo marine transportation, universe life exploration, etc. This project focuses on the effects of strain rate and temperature on dynamic behavior of polycrystalline ice. Firstly, the stress-strain relationships of ice under different strain rates and temperatures will be measured using modified split Hopkinson pressure bar (SHPB). The effects of strain rate and temperature on the strength, residual strength and failure mode will be investigated. In addition, a strain rate and temperature related material constitutive model, which obeys the Drucker-Prager plasticity criteria, will be developed. Moreover, the evolution of ice’s molecular structure under different strain rates and temperatures will be investigated by molecular dynamics (MD) simulation, by which the relationship between the molecular structure and strength, residual strength and failure model of ice will be obtained, and a material constitutive model based on deformation mechanisms will also be developed.

冰的动态力学性能对于极地航线开发、宇宙生命探测都至关重要。本项目研究多晶冰力学性能的应变率与温度效应及其微观机制。通过低温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置，测量不同应变率与温度范围内的应力应变关系，获得其应变率与温度相关的强度、剩余强度、失效模式等特征；在实验数据的基础上，基于Drucker-Prager塑性流动准则建立应变率与温度相关的经验型本构关系。与此同时，采用分子动力学（MD）模拟，获得冰在动态变形下分子层次结构的演化规律，及其与冰的强度、残余强度、失效模式之间的关系；基于微观变形动力学，通过合理假设，建立反映变形物理机制的本构关系。

冰的动态力学性能对于极地航线开发、宇宙生命探测都至关重要。本项目围绕多晶冰应变率与温度相关的力学性能及其变形的微观机制，通过低温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置，测量得到了不同应变率与温度范围内的应力应变关系，获得其应变率与温度相关的强度、剩余强度、失效模式等特征；在实验数据的基础上，基于弹塑性本构模型，建立了多晶冰应变率与温度相关的本构关系；采用分子动力学（MD）模拟，获得冰在动态变形下分子层次结构的力学行为。.项目执行过程中，主要在以下几个方面取得了重要的结果：.（1）多晶冰强度的复杂应变率与温度效应：.通过实验测量，得到了多晶冰在-15~-173oC、应变率102~103s-1范围内的力学性能。发现-15~80oC范围内，随着温度的降低，多晶冰的强度从约35MPa快速升高到约105MPa，且具有明显的应变率强化效应；在-125~150oC之间，多晶冰的强度几乎保持不变，且没有明显的应变率效应；继续降低温度到-173oC时，多晶冰的强度再次升高到120MPa左右，依然没有明显的应变率效应。基于强度的测量结果，建立了多晶冰应变率与温度相关的弹塑性本构关系，并拟合得到了本构模型参数。.（2）多晶冰的残余强度效应：.从多晶冰的动态力学性能测量结果可以看到，与传统的脆性材料不同，在-15oC时，多晶冰具有较高的残余强度，高达10MPa。随着温度的降低，残余强度快速降低。从多晶冰的失效模式可以看出，残余强度主要是冰碎裂成颗粒后，颗粒之间相互摩擦诱导熔化、再结晶导致的。.（3）杂质对多晶冰力学性能的强化效应：.实验中测量得到了-15oC条件下，含杂质冰的动态力学性能，发现相对于纯冰，在相同应变率与温度下，杂质冰具有更高的强度和更低的残余强度，类似颗粒增强的复合材料。.（4）分子层次冰的动态力学性能：.采用分子动力学方法，构建了冰的冲击动力学模型，研究了不同温度条件下单晶冰（ice-1h）的动态力学行为。分子模拟结果表明，随着温度的降低，冰的屈服强度快速增加。从约60.8MPa（242K）升高至121.7MPa（163K）；相对高温条件下，压缩过程中主要发生固液相变行为；而相对低温条件下，压缩过程中主要发生固-固相变行为，并且会出现类似位错滑移的变形机制，导致应力的降低。.项目执行过程中在国内外重要期刊中发表了多篇学术论文，并参加了多次学术会议促进了合作与交流工作。研究