用于膨胀管分离结构的铝合金动态断裂韧性研究

摘要

膨胀管爆炸分离器中的分离板是一种连接构件，分离前起连接载具与机体的作用。在分离过程中，由于爆炸冲击作用，裂纹在分离板中预先开好凹槽处的削弱带上迅速扩展，分离板快速整体断裂从而实现载具分离。分离板的断裂形式通常为I型裂纹扩展断裂。
　　本文基于断裂力学基础理论，通过准静态和动态三点弯曲断裂实验，研究和测量2024-T4与7075-T6两种航空常用铝合金金属在静态与动态两种加载条件下材料的断裂韧性，分析材料对裂纹的敏感度。
　　在研究过程中，通过准静态与动态两种加载实验测试了材料的各个参数值，详尽地分析与统计测试到的数据以比较两种材料断裂力学行为的差异。在目前实验与理论条件下，材料的动态断裂韧性分析是一大难题，很难做出可靠的结果，本文采取了弹簧质量块等效模型做出了两种材料动态断裂韧性值的最终解；同时使用高速摄影技术和数字散斑方法分析确定了各试件受动载时的裂纹失稳扩展点，再利用等效模型把试件的等效刚度，等效圆频率以及材料应力力场强度因子的随时间曲线图模拟出来；最后，通过数据统计校验、试件回收后的镜相扫描、微观成相观测等方法来对材料的动态断裂行为做出判断与分析，找出材料微观结构，加工方式，构型形状等之间的相关影响，为膨胀管爆炸分离器中分离板的操作提供理论依据、技术规范以及数据支持。本文主要使用以下几个测试手段来实现该目的：
　　（1）基于材料万能实验机的准静态加载技术设计了静态三点弯曲试件断裂韧性的实验装置并测试了对2024-T4与7075-T6板材铝合金在静态加载下的断裂性能。
　　（2）采用小落锤实验机的动态加载技术和标准三点弯曲试验对2024-T4与7075-T6铝合金板材的断裂性韧性能进行了测试。通过实验测得P(t)曲线，使用高速摄影仪与散斑分析得出其开裂时间tC，对应到数值计算出来的K(t)曲线图上的值K(tC)，即为材料的动态断裂韧性值KIC。
　　通过以上试验方法进行测试操作，本文得到了以下几个结论：
　　（1）实际操作过程中，通过这种技术对2024-T4与7075-T6铝合金板材准静态断裂韧性进行了测试与实验，证明该实验测试技术有效切实可行。通过对2024-T4与7075-T6铝合金板材在0.1mm/s，0.5 mm/s、0.01 mm/s三种速度加载条件下进行的准静态断裂韧性发现，2024-T4在20.1 MPam1/2至25.66 MPam1/2变化，其平均值为24.06 MPam1/2。7075-T6则在21.77MPam1/2至24.98 MPam1/2变化，其平均值为23.31 MPam1/2。
　　（2）在动态加载条件下，2024-T4的断裂韧性值在25.14 MPam1/2至28.45MPam1/2变化，其平均值为26.63MPam1/2，裂纹平均起裂时间为0.525 ms。7075-T6则在28.02 MPam1/2至37.09 MPam1/2变化，其平均值为33.7 MPam1/2，裂纹平均起裂时间为0.532ms。因此，可以得出在动态加载条件下，7075-T6抵抗断裂的能力则要高于2024-T4，这与静态加载时有所不同。另外，从测试到的数据可以发现：当落锤高度越大（100~500mm），即锤头冲击速度越大，材料表现出来的断裂韧性值相对就越大，这是因为随着动态载荷变化率(K·) Id的增大，材料抵抗裂纹扩展的能力也相应增加。
　　（3）通过对动态断裂韧性的后续分析以及断裂实验回收试件的断口微观镜相特征分析发现：动态加载下，2024-T4铝合金内部孔洞或裂纹主要成核于晶内的强化相而形成穿晶断裂，其裂纹尖端微观扫描成像表明主要为脆性断裂，而7075-T6铝合金则主要表现为脆韧混合性断裂。

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1研究背景

1.1航空爆炸分离中火工品装置的介绍

1.2航天飞行器中的爆炸分离技术调研

1.3超级拉链分离器介绍

1.4航空分离器中关键断裂力学问题的研究情况

1.5本文的主要工作

2膨胀管中分离板的裂纹扩展机制及关键断裂力学行为

2.1基于断裂力学相关理论的航空爆炸分离器研究

2.2膨胀管分离器常用航空铝合金的热处理效应

2.3膨胀管分离器常用航空铝合金断裂过程中的力学理论

2.4裂纹尖端处附近区域的应力与位移场理论介绍

2.5动态断裂韧性实验的主要方法

2.6本文实验部分的主要工作

3 2024-T4与7075-T6铝合金材料断裂韧性的实验测试

3.1试件的设计与制备

3.2准静态下三点弯曲实验方案

3.3三点弯曲动态加载与测试系统的设计

3.4动态三点弯曲试验中试件动态断裂韧性的测试方法

3.5材料裂纹失稳扩展的起始点tC

3.6本章小结

4 2024-T4与7075-T6两种铝合金断裂韧性的实验测试

4.1准静态三点弯曲实验实验

4.2动态三点弯曲实验

4.3实验实测数据

4.4实验结果

4.5实验结果分析与讨论

4.6本章小结

5关于动态断裂的性能分析

5.1试件回收与分析

5.2材料断裂韧性的微观分析

5.3本章小结

6结论与未来展望

6.1主要的工作与结论

6.2未来的工作展望

参考文献

在学研究成果

致谢