绝热剪切带形成若干问题研究

摘要

绝热剪切是材料在高应变率加载下的重要破坏机制之一，本文通过实验和有限元模拟结合的方法研究了三种形式的绝热剪切破坏现象：Ta2钛金属圆柱试样动态压缩发生绝热剪切破坏、Ta2钛金属扁平帽形试样动态加载发生受迫绝热剪切破坏、电磁驱动铝合金圆筒向内压缩发生多重绝热剪切失稳。通过圆柱动态压缩试样，测得Ta2钛金属的动态压缩力学性能，拟合得到其Johnson-Cook本构关系模型参数，圆柱试样局部化起始发生在端面靠近边缘形成环形起始带，沿轴向呈45°和135°方向扩展，形成两个对立交叉圆锥破坏面。通过设计一种扁平帽形试样，利用数字图像相关法，测得剪切区域内平均剪应变的发展，确定了局部化起始时刻的应力应变发展状况，分析了绝热剪切带内的本构关系软化模型。利用电磁驱动金属圆筒向内压缩发生多重绝热剪切失稳现象，发现剪切带之间相互影响，数量和间距等表现出自组织特征。结果表明：绝热剪切局部化起始发生在应力开始出现“崩塌”，应变继续发展的时刻，表现为本构关系失稳；从应力应变曲线的发展上看，绝热剪切局部化起始条件受应变发展、应变率、环境温度等因素综合影响，局部化起始需要达到某个临界应变，加载应变率越高，临界应变值越小，环境温度越高，临界应变值越大；而应力状态起着控制局部化起始位置和剪切带发展方向的作用。剪切带一般是沿最大剪应力方向扩展，通过有限元分析，发现剪切带内应力快速下降，应变急剧增大；局部化时刻温度升高一般为300～400℃，但剪切带形成后，带内温度剧烈增加，迅速达到熔点温度。此外，分析表明扩展速度随加载应变率增大而增加。在多重绝热剪切失稳过程中，剪切带一旦形成，使得周围区域发生应力卸载，抑制附近局部化点发展成为剪切带，从而呈现出间距的自组织特征，这些自组织特征也明显的受应变率、温度的影响。

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1绪论

1.1绝热剪切破坏现象概述

1.2绝热剪切现象实验与理论研究现状

1.3主要研究内容

2 Ta2钛金属圆柱试样动态压缩特性及绝热剪切破坏研究

2.1引言

2.2实验方法和试样

2.3实验结果

2.4实验结果分析

2.5有限元模拟

2.6应力状态影响

2.7本章小结

3扁平帽形试样受迫剪切发生绝热剪切破坏研究

3.1引言

3.2实验方法和试样

3.3实验结果

3.4有限元模拟

3.5 DIC方法测量应变场

3.6本章小结

4电磁驱动金属圆筒发生多重绝热剪切失稳研究

4.1引言

4.2实验方法与结果

4.3有限元模拟

4.4结果分析和讨论

4.5本章小结

5总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

在学研究成果

致谢