高能率电磁加载下金属材料多重绝热剪切失稳及自组织形成机理研究

绝热剪切失稳是韧性金属材料在冲击载荷作用下的一种重要失效机制，但目前关于绝热剪切失稳的实验和理论研究大多集中在单一剪切带的形核、长大等问题。事实上，爆炸/冲击下材料的破坏往往是大量剪切带同时发生的多重剪切失稳，剪切带之间存在相互作用，绝热剪切带间距为一特征数值，表现出自组织规律特征（Self-organization of shear bands），多重剪切失稳过程的研究是工程分析应用的基础。本项目研究发展高能率电磁圆筒压缩实验技术，对韧性金属环状试样开展多重绝热剪切失稳及自组织特征与加载条件相关性研究，探讨多重绝热剪切失稳过程及其自组织特征的影响因素；与有限元方法结合，在二维框架下分析多重剪切带的生长过程，探讨多重剪切带发展、剪切带自组织特征，剪切带向裂纹转化的临界条件等关键问题，探求金属材料多重绝热剪切破坏及自组织特征形成物理机制，这无论对学术还是工程应用都具重要意义。

爆炸/冲击下材料破坏经常出现大量剪切带同时发生的多重剪切失稳，如柱壳的爆炸破碎过程。一般认为绝热剪切带是由于材料热软化大于应变硬化引起的本构失稳，在工程分析中考虑材料热软化的动态本构并不能反映实际的绝热多重剪切断裂现象，目前没有精确描述剪切带扩展和断裂的物理模型。本项目通过对金属柱壳高速压缩及膨胀下的剪切破坏特性的研究，探讨多重绝热剪切失稳特征、形成机制及影响因素。工作主要包括三个方面：（1）设计帽型剪切及压缩试样对金属材料绝热剪切带起始、扩展问题开展系列实验研究，测试分析了剪切带形成、发展的温度、应变局域化演化特性；发现TA2、TC4钛合金绝热剪切起始时的绝热温升低于390K，表明材料热软化不是绝热剪切带起始及扩展的控制因素；研究利用剪切软化模型实验表征绝热剪切形成、扩展的软化特性，计算与实验结果吻合较好。（2）开展了金属柱壳外爆断裂模式及影响因素研究，宏观及微观断口分析显示金属柱壳膨胀破坏存在多种破坏模式的竞争。项目重点对多重剪切断裂形成及转变机制开展研究；结果显示：载荷特性及柱壳表面加工缺陷（分布的加工几何缺陷或残余应力）是控制剪切断裂的主要影响因素，对缺陷分布周期对碎片（绝热剪切带间距）特征尺寸的控制规律进行探讨。（3）设计薄壁金属柱壳电磁膨胀实验，开展铝合金金属薄壁柱壳局域化剪切断裂机理研究，数字图像相关法（DIC）揭示了不同加载率下薄壁柱壳变形集中从均匀分散到非均匀局域化集中发展过程，随加载率提高局域化剪切破坏及特征尺寸减小，但局域化起始应变与加载率关系不大，研究探讨了惯性及几何效应对局域化剪切的影响。进一步比较分析碎片及剪切局域化间距的归一化分布，揭示柱壳破碎具有自组织“量子化”特性。项目研究对材料绝热剪切、动态破碎的理解和分析具有重要作用，具有学术意义。