低合金超高强度钢动态力学性能试验研究和数值模拟

摘要

低合金超高强度钢因其具有强度高、韧性好、热加工性能好等优点广泛用于制造飞机大梁、起落架构件等常常承受强动载荷作用的部件。研究低合金超高强度钢在动态载荷下的力学响应对于该材料的应用具有指导意义。本文研究了300M钢和300M-Nb钢不同淬火温度下的微观组织和常规力学性能，分析了Nb对300M钢的微观组织和性能的影响。结果表明，在870-1020℃淬火温度范围内，Nb的添加能够细化微观组织，提高屈服强度、抗拉强度以及硬度；在900℃以上温度淬火处理时，加Nb后，材料的塑性和冲击韧性有所提高。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了300M钢和300M-Nb钢的动态力学性能。利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)测试装置研究了同一冲击载荷作用下不同淬火温度以及同一淬火温度不同应变速率下两种钢的动态压缩性能。研究表明，在同一冲击载荷作用下，300M钢较低温度下(<930℃)淬火与较高温度下(≥930℃)淬火相比具有较高抵抗变形的能力(流变应力大和相对压缩率小)，300M-Nb钢在整个淬火温度范围内，都具有高的抵抗变形的能力。在测试应变速率1000-4000 s-1范围内，同一淬火温度下两种试验钢的动态屈服强度都随着应变速率的增加而增大，300M钢的应变速率敏感性较大，而300M-Nb钢的应变速率敏感性较小。⑵基于静态和动态力学试验结果，结合 Johnson-Cook模型，拟合出了870℃×1 h油淬(OQ)+260℃×2 h空冷(AC)热处理制度下的300M和300M-Nb钢的本构方程：300M钢：σ=(1610+3372.8εp0.152)(1+0.025ln.*ε)；300M-Nb钢：σ=(1672+3006εp0.121)(1+0.018ln.*ε)。J-C方程得到结果与试验结果吻合较好，表明该方程能够较好的描述材料的本构关系。⑶基于以上试验结果，在考虑了应变速率效应的情况下，运用有限元方法模拟了SHPB动态压缩试验，有限元分析结果与试验结果较为吻合。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 低合金超高强度钢

1.3 分离式霍普金森压杆及高应变速率下的本构模型

1.4 低合金超高强度钢的动态力学响应研究进展

1.5 本课题研究意义和研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 试验方案

2.3 热处理制度

2.4 金相观察与断口观察

2.5 常规力学性能测试方法

2.6 动态力学性能测试方法

2.7 SHPB测试数值模拟

第3章 低合金超高强度钢的常规力学性能

3.1 引言

3.2 试验钢微观组织和硬度

3.3 力学性能测试结果

3.4 结果分析

3.5 本章小结

第4章 低合金超高强度钢的动态力学性能

4.1 引言

4.2 动态压缩试验结果

4.3 J-C本构方程的拟合

4.4 结果分析

4.5 本章小结

第5章 SHPB试验数值模拟

5.1 引言

5.2 数值模拟平台—ANSYS/LS-DYNA

5.3 数值模拟SHPB动态压缩试验

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果