Zr基非晶合金材料动态本构关系及其释能效应研究

摘要

非晶合金存在与液体相似的结构而且其内部不存在位错、晶界等缺陷，这些特点使非晶合金存在着一些独特的力学性能，如高强度、高硬度、高断裂韧性以及良好的抗剪切等特性。从能量的角度来讲，非晶合金相比其成分相同的晶态合金能量更高，处于能量上的亚稳态;Zr基大块非晶合金体系的主要组元之间具有很大的负混合焓，能够发生很强烈的放热反应。因此，非晶合金也属于含能材料之一。本文采用试验研究和理论分析的方法针对某ZrTiNiCuBe块体非晶合金展开了静动态力学特性及高压下释能效应(10GPa-30GPa)的研究，其结果可为研究非晶合金的断裂、流变行为、工程应用提供可参考和借鉴的价值。本文主要研究内容包括以下四个方面:
　　(1)采用MTS、SHPB试验设备获取非晶合金材料室温环境下静、动态试验数据，并用SEM来表征其微观现象，揭示材料的断裂特征。利用变形过程中的弹性应变能变化规律推测剪切变形区域内温升的变化规律，定量分析熔滴的形成原因、锯齿流变与试样断裂的机制。同时，运用特征时间来解释该材料的应变率效应。
　　(2)依据MTS、SHPB试验结果及材料断裂特征、JH-2模型和J-C模型相关理论，建立该材料的本构方程，并验证本构方程的准确性。
　　(3)开展高压条件下非晶合金材料对薄靶的冲击释能效应探索性试验研究。利用压力传感器测试压力时程曲线，高速摄影拍摄整个撞击反应过程，并观测靶板的毁伤效果。从测试压力、高速摄影、靶板毁伤效应这三点来说明撞击过程中的非晶合金材料是否发生化学反应。建立冲击释能反应效果的评估模型，并对反应机理做出相应简单的阐述。
　　(4)开展高速冲击加载条件下，非晶合金破片和30CrMnMo破片对素混凝土靶的侵彻特性试验研究，比较两种破片的侵深、靶面毁伤效果并作出相应解释说明，计算出非晶合金破片的成坑角。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 非晶合金的概念和发展历史

1．1．1 非晶合金的概念

1．1．2 非晶合金的发展历史概况

1．2 国内外研究现状

1．2．1 非晶合金的力学性能研究进展

1．2．2 非晶合金的本构关系研究进展

1．2．3 非晶合金在国防上的应用研究进展

1．3 本文研究意义及内容

2 ZrTiNiCuBe块体非晶合金力学性能试验

2．1 ZrTiNiCuBe块体非晶合金准静态力学性能试验

2．1．1 试验方案

2．1．2 试验结果分析

2．1．3 失效过程分析

2．2 ZrTiNiCuBe块体非晶合金动态力学性能试验

2．2．1 试验原理与方案

2．2．2 试验结果分析

2．2．3 试验数据验证

2．2．4 动态裂纹的扩展与止裂分析

2．3 ZrTiNiCuBe块体非晶合金剪切带内温升与断裂温升

2．4 ZrTiNiCuBe块体非晶合金应变率效应

2．5 本章小结

3 ZrTiNiCuBe块体非晶合金动态本构方程

3．1 动态本构关系基本方程

3．1．1 JH-2模型

3．1．2 Johnson-cook模型

3．2 模型参数确定

3．2．1 JH-2模型参数确定

3．2．2 Johnson-cook模型参数确定

3．2．3 两种模型的对比分析

3．3 本章小结

4 ZrTiNiCuBe块体非晶合金材料撞击薄靶释能效应研究

4．1 靶场实验

4．1．1 试验准备

4．1．2 试验结果与分析

4．1．3 超压转化为TNT当量的算法

4．2 冲击波超压、挠度工程模型

4．2．1 高速撞击形成的冲击波在界面的相互作用

4．2．2 建立工程模型

4．2．3 模型结果与试验结果对比分析

4．3 冲击反应机理

4．3．1 ZrTiNiCuBe块体非晶合金破片冲击靶板的界面压力

4．3．2 ZrTiNiBeCu非晶合金破片冲击温升

4．3．3 化学反应准则

4．4 本章小结

5 ZrTiNiCuBe块体非晶合金材料对混凝土靶侵彻性能研究

5．1 靶场实验

5．1．1 试验准备

5．1．2 试验结果与分析

5．2 混凝土靶板的靶面成坑分析

5．3 本章小结

6 总结

6．1 内容总结

6．2 进一步研究方向

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文