BCC金屬的塑性流動行為及其本構(gòu)關(guān)系研究.pdf

1、二戰(zhàn)以來，特別是二十世紀(jì)九十年代以來，地域局部戰(zhàn)爭的爆發(fā)，加劇了對各種攻擊型武器及其防護(hù)結(jié)構(gòu)更高性能的要求。各種武器的戰(zhàn)斗部以及戰(zhàn)艦、飛行器、地下掩體等材料的性能研究更引起材料、冶金和力學(xué)工作者極大的重視。隨著人類對太空的不斷探索，不僅在太空材料方面，同樣要求在國防、航空航天和民用等方面廣泛被應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料能夠在各種極端的環(huán)境，例如，高速碰撞、高溫變形、大的塑性變形等條件下具有良好的性能。這樣，一方面要求不斷開發(fā)性能優(yōu)異的新材料，另一方

2、面需要深入理解和了解在極端環(huán)境下材料的性能，為實(shí)際工程應(yīng)用提供不可缺少的基礎(chǔ)。BCC多晶體金屬和主要呈現(xiàn)BCC結(jié)構(gòu)特征的合金，由于它們通常具有較高的熔點(diǎn)、良好的熱傳導(dǎo)性、高的斷裂韌性、相對好的抗腐蝕和可焊接性等特性，因而一直得到研究者的關(guān)注。但BCC金屬的性能強(qiáng)烈的依賴于溫度、變形率和自身的微觀結(jié)構(gòu)。在本文中通過大量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和分析，意在揭示BCC金屬材料在很寬溫度范圍、很寬應(yīng)變率范圍和大變形下的塑性流動行為。主要內(nèi)容有：材料動態(tài)性

3、能的測試技術(shù)、材料在不同溫度不同應(yīng)變率下的塑性流動特征和變形機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系的研究。其具體研究方法和內(nèi)容如下： (1)材料動態(tài)性能的測試技術(shù)?；诮觊_展的三種多晶體鉭(Ta)金屬材料、船用Nitronic-50結(jié)構(gòu)鋼和三種鎢合金動能彈材料的性能研究，和以往積累的大量試驗(yàn)研究，重點(diǎn)開展用分離式Hopkinson壓桿實(shí)現(xiàn)高溫高應(yīng)變率的耦合試驗(yàn)技術(shù)，對低應(yīng)變率不同溫度下的試驗(yàn)是借助電子萬能試驗(yàn)機(jī)或常規(guī)的液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，通過這些綜合的試

4、驗(yàn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率從10<'-4>/s到10<'4>/s、溫度從77K到1100 K，應(yīng)變超過70％的金屬材料塑性流動性能的試驗(yàn)研究。 (2)材料在不同溫度不同應(yīng)變率下的塑性流動特征和變形機(jī)理研究。利用(1)中的試驗(yàn)技術(shù)，測試三種不同工藝的Ta金屬材料、船用Nitronic-50結(jié)構(gòu)鋼和三種鎢合金動能彈材料在單軸壓縮下的性能，然后結(jié)合積累的大量試驗(yàn)結(jié)果，分析BCC金屬材料在應(yīng)變率從10<'-4>/s到10<'4>/s、溫度從77

5、K到1100 K，應(yīng)變超過50％的塑性流動的規(guī)律、所呈現(xiàn)的變形特征。通過金相分析探索BCC金屬塑性流動的變形機(jī)理。 (3)本構(gòu)關(guān)系的研究。結(jié)合BCC金屬材料在不同溫度不同應(yīng)變率下的塑性流動性能，分析塑性流動的規(guī)律和所呈現(xiàn)的變形特征，基于位錯克服各種障礙和勢壘的熱激活滑移機(jī)制，以及基于位錯運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)概念，建立一個具有物理意義的統(tǒng)一熱粘塑性本構(gòu)關(guān)系。介紹這些材料參數(shù)的意義，給出BCC金屬塑性流動的具體本構(gòu)模型，介紹試驗(yàn)確定本構(gòu)關(guān)

6、系中參數(shù)的方法，通過試驗(yàn)結(jié)果與本構(gòu)關(guān)系的對照驗(yàn)證本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確性。 通過本文的研究，主要結(jié)論和成果為： (1)本文所給出具有二次應(yīng)力波抑制技術(shù)的分離式Hopkinson壓桿連同本文所建立的氣動同步機(jī)構(gòu)，可以測試金屬材料應(yīng)變率最高到約30，000/s、溫度可達(dá)到1，100K、塑性應(yīng)變超過70％的材料動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)變率和高溫的耦合試驗(yàn)測試。 (2)經(jīng)對BCC金屬大量試驗(yàn)結(jié)果分析，本文發(fā)現(xiàn)這些BCC金屬的塑性流變

7、應(yīng)力對應(yīng)變率和溫度非常敏感，但加載歷史對流變應(yīng)力的影響較??；在低的應(yīng)變率下，出現(xiàn)第三類動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象，隨應(yīng)變率的增加，動態(tài)應(yīng)變時效應(yīng)力峰值將移至更高溫度區(qū)或消失。 (3)通過分析發(fā)現(xiàn)在BCC多晶體及其主要呈現(xiàn)BCC結(jié)構(gòu)特征的合金材料中幾乎都發(fā)生第三類動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)現(xiàn)象，且DSA啟動并不需要預(yù)先的應(yīng)變積累。DAS出現(xiàn)的區(qū)域取決于溫度和變形率兩者的共同因素，當(dāng)應(yīng)變率增加時，DSA出現(xiàn)的區(qū)域會移向更高的區(qū)域。這個DSA的產(chǎn)生

8、機(jī)理為：當(dāng)溫度和應(yīng)變率共同達(dá)到某一臨界條件時，溶質(zhì)原子沿著大量聚集的林位錯通過管擴(kuò)散在運(yùn)動位錯核迅速的和連續(xù)不斷的形成溶質(zhì)氣團(tuán)，對運(yùn)動位錯構(gòu)成連續(xù)不斷的牽制或拘留，為了克服這類障礙，導(dǎo)致流動應(yīng)力曲線隨應(yīng)變增加連續(xù)的上升。 (4)BCC金屬在塑性流變中具有的機(jī)制和特征有：低應(yīng)變率下的剪切、高應(yīng)變率下絕熱剪切、變形孿晶的產(chǎn)生，當(dāng)溫度較高溫時，BCC材料會呈現(xiàn)粘塑性拖．曳現(xiàn)象。 (5)推導(dǎo)出適合金屬材料塑性流動的統(tǒng)一本構(gòu)模型，