AA 7055鋁合金在不同溫度及應(yīng)變率下力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、7055鋁合金是目前最先進(jìn)的商用高強(qiáng)高韌鋁合金，具備極高的強(qiáng)度、較好的韌性以及良好的抗應(yīng)力腐蝕性，具有廣泛的應(yīng)用前景。材料在復(fù)雜的服役環(huán)境中可能受到各種不同載荷的作用，對材料在不同加載條件下力學(xué)行為的研究是完善材料開發(fā)、應(yīng)用以及進(jìn)行新材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)對7055鋁合金的研究尚處于起步階段，對于這類新型高性能鋁合金在不同加載條件下的力學(xué)行為研究仍然十分匱乏，同時，目前也沒有一個被廣泛接受的本構(gòu)模型能對該類材料在大的溫度和應(yīng)變

2、率范圍內(nèi)力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確描述。另外，作為目前研究材料動態(tài)力學(xué)行為最為常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——分離式霍普金森壓桿（SHPB）和分離式霍普金森拉桿（SHTB），在實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上尚未形成完善、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展，譬如SHPB實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)預(yù)定應(yīng)變率的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取問題，以及SHTB實(shí)驗(yàn)中的試樣連接方式等。
　　基于以上背景，本文首先針對SHPB和SHTB實(shí)驗(yàn)方法開展了研究和改進(jìn)工作；然后，較為系統(tǒng)地研究了美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)的AA

3、7055-T77鋁合金在不同溫度和應(yīng)變率下的力學(xué)性能及行為，結(jié)合微觀組織分析對其部分機(jī)理進(jìn)行了初步研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行了修正，并對本構(gòu)模型的適用性進(jìn)行了檢驗(yàn)和討論；最后，為評估AA7055鋁合金的高速撞擊特性，對AA7055鋁合金和參考材料在高速撞擊下的厚板成坑行為進(jìn)行了研究和對比分析。本文主要的研究內(nèi)容如下：
　　第一，基于一維應(yīng)力波理論推導(dǎo)出一個應(yīng)變率預(yù)估公式，以預(yù)估公式為核心，提出了一種可

4、方便實(shí)現(xiàn)預(yù)定應(yīng)變率的SHPB實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方法，并通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)對該方法進(jìn)行了演示和驗(yàn)證。
　　第二，設(shè)計(jì)了一種用于SHTB裝置的楔形卡口式試樣連接方式，并通過數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)測試證明了這種卡口式連接方式是有效可行的。
　　第三，利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對AA7055鋁合金在不同溫度下的低應(yīng)變率單軸壓縮性能進(jìn)行了測試，溫度范圍為300～750K，加載應(yīng)變率分別為0.0005s-1、0.01s-1和1s-1；利用SHPB

5、及改進(jìn)試樣連接方式的SHTB裝置對其在常溫下的動態(tài)壓縮性能和動態(tài)拉伸性能進(jìn)行了研究，應(yīng)變率測試范圍為：動態(tài)壓縮時900～5000s-1，動態(tài)拉伸時500～1600s-1；獲得了AA7055鋁合金在以上加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和力學(xué)行為。
　　第四，基于AA7055鋁合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個包含臨界轉(zhuǎn)變溫度的溫度效應(yīng)附加函數(shù)、一個耦合溫度的應(yīng)變率效應(yīng)函數(shù)和一個包含有效應(yīng)變的分段應(yīng)變硬化函數(shù)，綜合以上結(jié)果，提出了一個具有上述特征的修

6、正Johnson-Cook模型。利用該修正模型對7050-T7451鋁合金在較大的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的流動應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的較好；同時，該修正模型高溫下簡化形式對AA7055鋁合金在本文研究范圍內(nèi)的流動應(yīng)力預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好，得到的結(jié)果均優(yōu)于Johnson-Cook模型。說明本文提出的修正Johnson-Cook模型對于鋁合金材料具有較好的適用性。
　　第五，對45％體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al

7、復(fù)合材料、2024鋁合金及2A12鋁合金也進(jìn)行了部分測試，獲得了這3種參考材料的部分力學(xué)性能和材料參數(shù)。參考材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文提出的溫度效應(yīng)附加函數(shù)同樣適用于參考材料以及部分其它材料。
　　第六，在單次動態(tài)壓縮的基礎(chǔ)上，利用SHPB對AA7055鋁合金和2024鋁合金進(jìn)行不同次數(shù)的循環(huán)動態(tài)壓縮測試，通過對宏觀應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和微觀組織變化綜合分析，研究了AA7055鋁合金動態(tài)壓縮時剪切局部化的發(fā)展過程。發(fā)現(xiàn)了

8、鋁合金動態(tài)壓縮時試樣內(nèi)部剪切局部化的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律。
　　最后，利用二級輕氣炮系統(tǒng)研究了AA7055鋁合金、45%體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al復(fù)合材料和2A12鋁合金的厚板結(jié)構(gòu)在高速撞擊下的成坑行為，撞擊條件分別為：4.76mm直徑2017鋁合金球形彈丸，速度范圍為1.40～4.47km/s；5mm直徑GCr15鋼球彈丸，速度范圍為1.56~2.36km/s。并對AA7055鋁合金和2A12鋁合金靶板上彈坑周圍的微觀組織進(jìn)行

9、了金相觀察和分析。結(jié)果表明，靶板材料的力學(xué)性質(zhì)對成坑的尺寸與形貌都有顯著的影響，成坑深度與材料強(qiáng)度成反比。
　　本文發(fā)展和改進(jìn)了SHPB和SHTB實(shí)驗(yàn)方法；較系統(tǒng)地獲得了AA7055-T77鋁合金的力學(xué)性能，并初步獲得了其部分力學(xué)行為的微觀機(jī)理，建立了表征該類材料在不同溫度和應(yīng)變率下力學(xué)行為的本構(gòu)模型。本文取得的研究成果對動態(tài)力學(xué)性能測試方法和7055鋁合金等新型超高強(qiáng)鋁合金的材料設(shè)計(jì)、開發(fā)以及工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值