钨合金材料宏微观性能分析及动态性能测试研究

论文摘要

高比重钨合金材料是由钨颗粒和粘结相在高温下烧结而成的两相合金组织。钨颗粒在组成合金的两相金属中是强度较高的相,体心立方的钨颗粒分布于面心立方结构、较软的粘结相当中,它的相对数量、形态及分布是影响合金性能的重要因素,这些细观要素与钨合金材料的力学性能密切相关。本文的内容包括:1.采用纳米压痕实验对不同含量钨合金进行了原位性能测试,根据纳米压痕实验得到的载荷-位移关系,利用有限元计算给出了基体相的原位细观屈服强度和硬化模量。从实验及计算结果可以看出,宏观的材料特征是大量微观量的统计平均效应,而压痕实验由于实验数据点较少,得到的材料力学特性值只是少量微观量的平均效应,当我们所取的实验值增加时,则两种实验结果将趋于一致。同时,也可以看到,材料的细观特性不同于它的宏观效应,因此,在计算细观量时,建议使用材料的细观力学特性值。2.根据纳米压痕实验中的载荷-位移关系,利用自编的二维、三维有限元程序和反向法进行了均质材料铝的宏观性能实验和计算,给出钨合金材料基体相的原位细观屈服强度和细观硬化模量,即给出钨合金材料中基体相的原位弹、塑性性质。并且为了验证反向法确定钨合金材料基体相的局部弹塑性力学行为的有效性,进行了均质材料铝的宏观性能实验和计算,由宏观实验说明,由此预报的材料弹塑性性能与测试结果一致。这样可以利用二维弹塑性计算程序快捷、方便地进行钨合金材料的宏细观性能的数值分析。3.进行了不同状态钨合金（真空态和锻造态）的动态压缩实验和动态拉伸实验,利用实验得到的拟合应力应变关系进行了有限元分析计算。动态压缩荷载下钨合金材料发生应变硬化现象,而在动态拉伸荷载下发生应变软化现象。不同的加载条件下钨合金材料的性能不能用相同的本构方程来描述,导致在研究其动态性能时采用不同规律的方程分别表述。从实验结果以及对两种钨合金材料进行断口扫描,从扫描图片可以得到,钨合金材料动态压缩和动态拉伸性能具有不对称性。4.利用人工智能BP神经网络算法预测了不同含量钨合金的抗拉强度;对钨合金材料进行了有限元的单胞模拟计算。分析表明,人工智能方法可以用来分析宏观因素例如钨含量,变形量等对合金性能的影响趋势,但是无法获得形成这些影响的微观机理:有限元方法通过对合金微观结构的单胞模型进行弹塑性模拟计算可以得到,变形量较小的钨合金,首先在基体相中达到抗拉临界值,此时钨合金材料的抗拉强度决定于基体相的抗拉强度:而对于变形量较大的钨合金,首先在钨颗粒相中达到抗拉临界值,此时钨合金材料的抗拉强度决定于钨颗粒相的抗拉强度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 钨合金材料的研究进展
• 1.2 钨合金静态性能研究进展
• 1.3 动态性能研究现状
• 1.3.1 应变率因素对钨合金动态力学性能的影响
• 1.3.2 环境温度对钨合金动态力学性能的影响
• 1.3.3 变形加工对钨合金动态力学性能的影响
• 1.3.4 微观因素对钨合金动态力学性能的影响
• 1.4 材料的动态力学性能的本构模型
• 1.5 本论文研究内容
• 第2章 钨合金基体相原位性能的实验研究
• 2.1 纳米压痕细观测试
• 2.1.1 钨合金试样
• 2.1.2 纳米压痕测试设备和测试技术
• 2.1.3 弹性模量和硬度的测试与计算
• 2.2 纳米压痕测试及物理量的统计原则
• 2.2.1 纳米压痕测试
• 2.2.2 物理量的统计原则
• 2.3 纳米压痕测试结果
• 2.3.1 钨颗粒相的细观弹性模量和硬度
• 2.3.2 基体相的细观弹性模量和细观硬度和细观参考抗拉强度
• 2.4 实验结果讨论
• 第3章 钨合金基体相原位性能的分析研究
• 3.1 利用反向法确定基体相的细观弹塑性性能
• 3.2 二维计算
• 3.3 三维计算
• 3.4 反向法的宏观验证
• 3.5 钨合金拉伸的宏-细观数值计算
• 3.5.1 计算程序的编制
• 3.5.2 钨合金拉伸的宏-细观数值计算
• 3.6 结论
• 第4章 钨合金的动态压缩和动态拉伸实验研究
• 4.1 研究背景
• 4.2 实验
• 4.2.1 动态压缩实验装置
• 4.2.2 动态压缩实验理论
• 4.2.3 钨合金动态压缩实验
• 4.2.4 动态拉伸实验
• 4.3 动态拉伸实验微观结构分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 钨合金动态力学性能的数值模拟计算
• 5.1 Johnson—cook模型
• 5.2 基于物理和材料学的本构方程
• 5.2.1 热激活位错运动
• 5.2.2 Zerilli—Armstrong模型
• 5.2.3 Bodner—Partom模型
• 5.3 有限元计算模拟
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 钨合金材料性能研究的其他有益尝试
• 6.1 神经网络BP（Back-Propagation）算法
• 6.1.1 算法实施
• 6.1.2 BP算法预测钨合金材料力学性能
• 6.1.3 结论
• 6.2 钨合金材料细观力学有限元计算
• 6.2.1 计算模型的选择
• 6.2.2 计算参数的选择
• 6.2.3 计算结果分析
• 6.3 结论
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表论文及科研成果