高溫高壓環(huán)境下金屬材料的本構(gòu)關(guān)系研究.pdf

1、高溫高壓條件下固體材料的本構(gòu)關(guān)系是研究化學(xué)炸藥爆轟、高能離子束或激光束以及高速撞擊作用下,固體中狀態(tài)量變化規(guī)律和運動特性必不可少的材料特性方程。為了精準描述和預(yù)測上述的狀態(tài)量變化和運動學(xué)特征,本文根據(jù)陳大年等人[高壓物理學(xué)報,19(2005)193]和彭建祥[博士論文,中國工程物理研究院研究生部,2006]的見解,著重分析了目前受到廣泛應(yīng)用的由Steinberg等人提出的[J.Appl.Phys.,51(1980)1498:J.Appl

2、.Phys.,65(1989)1528]金屬本構(gòu)模型中存在的固有問題,并提出了一個新的金屬本構(gòu)函數(shù)表示式。獲得的主要結(jié)果有:
　　 (1)在全面分析了Burakovsky等人[Phys.Rev.B,71(2005)184118]、Nadal等人[J.Appl.Phys.,93(2003)2472]和俞宇穎等人[Chin.Phys.ett.,17(2008)64]針對Steinberg等人的金屬材料本構(gòu)模型提出的若干質(zhì)疑及修改意見

3、的基礎(chǔ)上,提出了一個新的適用于密堆集晶體金屬的本構(gòu)模型,具體的函數(shù)表示式是()式中,G和Y為剪切模量和屈服強度;β和n為硬化系數(shù),εp為塑性應(yīng)變;T0為參考溫度,通常取零溫或室溫。式中的G(P,T0),((e)G/(e)T)P,β,n和εP等值均可通過實驗和理論計算方法求得。這個模型具有如下優(yōu)點:
　　 --與Steinberg等人、Nadal等人和俞宇穎等人的意見相比較,本模型中G隨P的變化沒有采用在一階導(dǎo)數(shù)項截斷的近似表示,

4、而是采用了G(P)的全函數(shù)表示形式;
　　 --與Steinberg等人、Nadal等人、Burakovsky等人的意見相比較,本模型中G隨T的變化雖然仍采用了一階導(dǎo)數(shù)項的近似表達,但拋棄了把((e)G/(e)T)P用((e)G/(e)T)0代替的做法,而是在向士凱等人[Phy.Rev.B70(2004)174102]第一原理計算結(jié)果啟示下采用了把((e)G/(e)T)P,表示為以P為參數(shù)的函數(shù)式;
　　 (2)以LY1

5、2鋁合金為例,本文給出的本構(gòu)函數(shù)式是()()
　　 這組本構(gòu)函數(shù)式的有效性得到了以下檢驗結(jié)果的支持:
　　 --上列G(P,T)本構(gòu)函數(shù)式是基于Sin'ko等人[J.Phys.:Condens.Matter,4(2002)6989]和向士凱等人的第一原理計算結(jié)果導(dǎo)出的,因而具有堅實物理基礎(chǔ)。此外,它的有效性還得到了Hügoniot壓縮線上聲速測量結(jié)果和等熵壓縮線上剪切模量計算結(jié)果(通過有限形變理論的Birch-Murna

6、ghan方程)的支持;
　　 --上列Y(P,T)本構(gòu)模型的構(gòu)建盡管在其物理構(gòu)思上沿襲了Steinberg等人的做法,但由于本文G(P,T)本構(gòu)函數(shù)式的不同,故在Y(P,T)本構(gòu)函數(shù)式的具體形式上是與Steinberg等人的有所不同的。它的有效性得到了本文沖擊加載實驗結(jié)果(采用了Asay和Chhabildas基于各向同性硬化模型的數(shù)據(jù)處理方法)的支持。特別值得提出的是:實驗結(jié)果再一次支持了G(P,T)/Y(P,T)≈常數(shù)近似關(guān)系

7、在高壓區(qū)的有效性(對于LY12鋁合金,這個高壓區(qū)的閥值是Pc≥30GPa);但若關(guān)注到Pc的低壓區(qū),則G(P,T)/Y*(P,T)≈常數(shù)近似關(guān)系(式中Y*=Y/[1+β(εp+εp1)]n)也是成立的。其實,這個結(jié)果也正是Steinberg等人構(gòu)建他們本構(gòu)模型的初衷。
　　 --為了綜合檢驗本文G(P,T)和Y(P,T)本構(gòu)函數(shù)式在描述沖擊加載下LY12鋁合金狀態(tài)量變化及其運動特性的有效性,文中利用沖擊/卸載、沖擊/沖擊/卸載、

8、沖擊/再沖擊以及沖擊/卸載/沖擊等四類復(fù)合加載過程的樣品/窗口界面速度剖面實驗結(jié)果進行了檢驗,發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測值與實測值的符合程度是令人滿意的,從而全面認定了本文本構(gòu)模型的有效性。
　　 (3)在發(fā)展實驗技術(shù)方面,本文采用Asay等人[SAND-85-2009]建議的組合靶實驗方案,解決了前人未能給出～20GPa以上壓力區(qū)沖擊/再沖擊實驗數(shù)據(jù)的難題(本文中給出了高達～70GPa預(yù)沖擊壓力點的實驗數(shù)據(jù)),從而為滿足今后精準測定更高壓力

9、區(qū)屈服強度的要求打通了一條新的技術(shù)途徑。
　　 最后應(yīng)該說明,本文提出的高溫高壓區(qū)金屬本構(gòu)模型與前人提出的相比,盡管它具有更為堅實的物理基礎(chǔ)和更少的近似假設(shè),但僅能看著是初步的結(jié)果,因為它的普適性還需要通過更多類別金屬的檢驗。即使對LY12鋁合金來說,也還需要更多的實驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果的檢驗,因為,只有這樣才能對本構(gòu)函數(shù)式中的有關(guān)材料參數(shù)值進行精確化修正。為此目的,發(fā)展或優(yōu)化現(xiàn)有的實驗和理論計算方法也是值得重視的。在發(fā)展實驗技