若干基礎(chǔ)稀土材料的動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、關(guān)于基礎(chǔ)稀土材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)特性與斷裂的現(xiàn)有資料極少，本文給出了釹、鑭、鐠釹的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究成果，部分成果已發(fā)表在Journal of Applied Physics, Material Science and Engineering：A, Journal of Rare Earth，International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation等期刊上。主要?jiǎng)?chuàng)

2、新點(diǎn)如下：
　　1）構(gòu)建與檢驗(yàn)了釹、鑭、鐠釹的動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)方程
　　基于對(duì)釹、鑭、鐠釹圓柱試件的MTS（Material Test System）準(zhǔn)靜態(tài)與SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）的高應(yīng)變率、高溫動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)的第一次脈沖結(jié)果，構(gòu)建了這些試件材料的J-C型[G. R. Johson and W. H. Cook, in proceeding of seventh internation

3、al symposium on Ballistics(The Hague, The Netherlands,1983). pp.541-547]動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)方程。采用所構(gòu)建的動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)方程，對(duì)于SHPB試驗(yàn)進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬，考察數(shù)值模擬的反射波與透射波是否能再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果。以此檢驗(yàn)所構(gòu)建的動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)方程的有效性。
　　2）構(gòu)建與檢驗(yàn)了釹、鑭、鐠釹的動(dòng)態(tài)拉伸本構(gòu)方程
　　TSHB（Tensile Split Hopki

4、nson Bar）試驗(yàn)的關(guān)鍵問題之一是保證試驗(yàn)的有效過(guò)程中試件的應(yīng)力處于單軸狀態(tài)，應(yīng)力與應(yīng)變處于均勻狀態(tài)。采用所構(gòu)建的釹、鑭、鐠釹的動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)方程，應(yīng)用DYNA程序[J. O. Hallquist. LS-DYNA keywords use’s manual(Version970), LSTC, USA.2003, April]進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)于TSHB試驗(yàn)進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬，研究這些材料的板條試件形狀與尺度以及試件與桿的連結(jié)對(duì)于TS

5、HB試驗(yàn)波形的影響，以此來(lái)設(shè)計(jì)試件的形狀、尺寸以及與桿的連結(jié)，達(dá)到優(yōu)化TSHB試驗(yàn)的目的?；趯?duì)于釹、鑭、鐠釹板條試件的MTS準(zhǔn)靜態(tài)與優(yōu)化的TSHB高應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了 J-C型及 H-J型[T. J. Holmquist, G. R. Johnson, Journal of Physics I,(1991), C3-853-C-860]動(dòng)態(tài)拉伸本構(gòu)方程。采用所構(gòu)建的這些材料的動(dòng)態(tài)拉伸本構(gòu)方程，以及依賴于應(yīng)變率的斷裂應(yīng)變?chǔ)舊，數(shù)

6、值模擬的TSHB試驗(yàn)的反射波與透射波可與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形基本一致。
　　3）顯示了壓力與羅德角對(duì)于若干基礎(chǔ)稀土材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)特性的效應(yīng)
　　釹、鑭、鐠釹圓柱試件的準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力三軸性η（此處公式省略，p壓力，σ流動(dòng)應(yīng)力）與羅德角θ此處公式省略，[s]偏應(yīng)力張量）不同于這些材料板條試件的準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力三軸性η與羅德角θ。本文顯示了η與θ對(duì)于釹、鑭、鐠釹動(dòng)態(tài)本構(gòu)特性的影響，其中應(yīng)力三軸性的效應(yīng)并

7、非線性的，羅德角的效應(yīng)改變了動(dòng)態(tài)屈服面的形狀。
　　4）研究了釹、鑭、鐠釹的動(dòng)態(tài)壓縮斷裂特性
　　采用分幅照相技術(shù)，記錄了釹、鑭圓柱試件在SHPB試驗(yàn)中所經(jīng)受的多次壓縮過(guò)程以及所發(fā)生的大變形。然而，構(gòu)建具有物理背景的動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程，用以描述其過(guò)程相關(guān)性是非常困難的。本文采用了一種經(jīng)驗(yàn)性的方法，處理釹、鑭圓柱試件在SHPB試驗(yàn)中所發(fā)生的非一維大變形：假設(shè)這些材料的流動(dòng)應(yīng)力σ作為應(yīng)變?chǔ)?、?yīng)變率·ε、溫度T函數(shù)的形式在多次壓縮過(guò)程中

8、保持不變，其參數(shù)可作調(diào)整，以使數(shù)值模擬結(jié)果切合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分幅照相結(jié)果表明，釹、鑭圓柱試件在SHPB試驗(yàn)中經(jīng)多次壓縮后發(fā)生破壞。然而，鐠釹圓柱試件在SHPB試驗(yàn)中僅經(jīng)一次壓縮即破壞。釹、鐠釹圓柱試件的3D超景深數(shù)字顯微（SDDM）結(jié)果顯示了試件的剪切失穩(wěn)。本文采用Batra[R. C. Batra, Z. G. Wei, International Journal of Impact Engineering,34(2007):448-46

9、3]的失穩(wěn)準(zhǔn)則以及我們構(gòu)建的這些材料的動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)方程，給出了剪切失穩(wěn)應(yīng)變的理論值，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
　　5）研究了釹、鑭、鐠釹的動(dòng)態(tài)拉伸斷裂特性
　　釹、鑭、鐠釹板條試件在TSHB試驗(yàn)的第一次加載脈沖中已發(fā)生斷裂，試驗(yàn)記錄的反射波與透射波波形可以用計(jì)及試件發(fā)生拉伸斷裂的數(shù)值模擬進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，釹、鑭的動(dòng)態(tài)拉伸斷裂強(qiáng)度與應(yīng)變率有關(guān)。一般認(rèn)為動(dòng)態(tài)斷裂強(qiáng)度依賴于局域化應(yīng)變率，并將此種相關(guān)性認(rèn)為是材料的本征特性。最

10、近，Ou等[Z. C. Ou, Z. P. Duan, F. L. Huang. International Journal of Impact Engineering,37(2010):942-945]導(dǎo)出了一種動(dòng)態(tài)載荷能力?c的表達(dá)式，其中包含了孕育時(shí)間、本征臨界失效長(zhǎng)度等參數(shù)，我們采用這種理論，結(jié)合 TSHB試驗(yàn)，計(jì)算了釹、鑭、鐠釹的σc，我們發(fā)現(xiàn)，此種σc對(duì)于孕育時(shí)間、本征臨界失效長(zhǎng)度等參數(shù)過(guò)于敏感，有必要修正。釹、鑭板條試件拉

11、伸斷裂的掃描電鏡分析表明，對(duì)于鑭板條試件而言，隨應(yīng)變率增大，損傷演化有從隨機(jī)走向確定的趨勢(shì)（從脆性到延性）。對(duì)于釹板條試件，沒有此種趨勢(shì)。
　　6）顯示了壓力與羅德角對(duì)于若干基礎(chǔ)稀土材料的動(dòng)態(tài)斷裂特性的效應(yīng)
　　釹、鑭、鐠釹圓柱試件的動(dòng)態(tài)壓縮破壞所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力三軸性η與羅德角θ不同于這些材料板條試件的動(dòng)態(tài)拉伸破壞所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力三軸性η與羅德角θ。應(yīng)力三軸性η是控制材料破壞的最重要參數(shù)，而羅德角θ的影響相對(duì)較弱。Wierzbick

12、i等[T. Wierzbicki, Y. Bao, Y. W. Lee, Y. Bai, International Journal of Mechanical Sciences,47(2005):719-743]提出一種斷裂軌跡，對(duì)于-θ（此處公式省略）是對(duì)稱的，圓柱的壓縮試驗(yàn)（-θ=-1）斷裂應(yīng)變?chǔ)舊應(yīng)該在由刻槽圓柱的拉伸試驗(yàn)（此處公式省略，-θ=1）所標(biāo)定的斷裂軌跡的外推曲線上。釹、鑭、鐠釹圓柱試件的動(dòng)態(tài)壓縮斷裂應(yīng)變應(yīng)該在εf~η