鋯金屬動態(tài)力學(xué)性能及其本構(gòu)關(guān)系研究.pdf

1、本文采用了MTS材料試驗機(jī)和分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置對純鋯在不同溫度(298K-1073K)和應(yīng)變率(10<'-4>s<'-1>-2800s<'-1>)下的壓縮力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。進(jìn)行高應(yīng)變率實驗時采用了小尺寸試樣SHPB實驗技術(shù)。通過數(shù)值模擬和部分實驗對小尺寸試樣實驗涉及的二維效應(yīng)、偏心壓縮效應(yīng)以及桿彎曲對SHPB測量精度的影響等問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析。其中，橫截面不匹配引起的二維效應(yīng)主要表現(xiàn)為端面凹陷，而端面凹陷對于小

2、變形下應(yīng)變的測量精度影響很大，進(jìn)入塑性變形后端面凹陷帶來的影響迅速減小。偏心壓縮效應(yīng)可以通過對稱貼片或靠后貼片的辦法予以消除。采用小尺寸試樣SHPB技術(shù)對純鋯高應(yīng)變率下力學(xué)行為進(jìn)行探索時，首次在純鋯中發(fā)現(xiàn)了絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象；對彎曲桿的直撞有限元模擬結(jié)果表明，隨彎曲程度的增大，波形失真程度呈冪函數(shù)形式增長，提出了霍普金森桿實驗中桿允許的彎曲程度，并進(jìn)行了實驗驗證。通過在試樣和壓桿之間添加A95陶瓷塊建立了一套組合桿式高溫SHPB裝置，采用

3、有限元模擬對添加陶瓷塊及溫度梯度場對測試精度的影響進(jìn)行了分析。 基于以上實驗技術(shù)得到的純鋯不同溫度和應(yīng)變率下的實驗結(jié)果表明：常溫下不同應(yīng)變率純鋯應(yīng)力～應(yīng)變曲線流動應(yīng)力段呈發(fā)散狀，流動應(yīng)力和加工硬化隨應(yīng)變率提高而增大，隨溫度升高而降低。常溫下動態(tài)壓縮試驗中大應(yīng)變時試樣發(fā)生與載荷方向約成450沿對角線的宏觀剪切破壞，單次大變形和重復(fù)加卸載大變形動態(tài)壓縮應(yīng)力～應(yīng)變曲線材料的破壞應(yīng)變幾乎相同，但隨變形增大，單次大變形的加工硬化明顯要低。

4、微觀金相觀測結(jié)果表明，孿晶密度隨應(yīng)變率提高而增大，隨溫度升高而銳減。在小變形段，孿晶密度隨應(yīng)變增大而增大；當(dāng)變形進(jìn)一步增大，孿晶之間及孿晶與晶界及位錯滑移帶之間發(fā)生交互作用，試樣內(nèi)部可見許多微小孿晶簇；大應(yīng)變試樣中可見絕熱剪切帶的萌生，剪切帶附近的孿晶彎成弓形靠攏。破壞試樣SEM斷口形貌呈典型的剪切破壞特征。宏觀應(yīng)力～應(yīng)變曲線的加工硬化行為與孿晶的演化發(fā)展相對應(yīng)，絕熱剪切帶可能是由微孿晶簇內(nèi)孿晶取向的不一致誘發(fā)的。 結(jié)合試驗結(jié)果

5、，在位錯動力學(xué)的基礎(chǔ)上建立了描述純鋯力學(xué)性能溫度和應(yīng)變率相關(guān)的本構(gòu)方程，采用該本構(gòu)方程擬合了純鋯在不同溫度和應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了大應(yīng)變和溫度較低時孿晶影響比較顯著外，擬合的結(jié)果和試驗結(jié)果符合很好。由于在微觀分析中發(fā)現(xiàn)孿晶變形主要出現(xiàn)在常溫條件下，因此通過考慮孿晶引起的硬化效應(yīng)在本構(gòu)方程中引入修正，經(jīng)過修正后的本構(gòu)方程能夠很好地描述孿晶變形和位錯滑移對純鋯溫度和應(yīng)變率相關(guān)力學(xué)性能的影響。 采用LS-DYNA接口技術(shù)