延性金属材料动态损伤演化的微细观表征与研究

论文摘要

延性金属材料在强冲击载荷作用下的拉伸型损伤与力学失效是许多工程技术领域中的重要科学问题。层裂（spallation）是这类问题相关的一种典型破坏现象,它是在冲击波作用下,由于相向稀疏波相互作用产生的拉伸应力引起材料内部微损伤成核、长大以及贯通,最后导致材料发生灾变式断裂的一种物理、力学现象。国内宁波大学的王永刚等人（中国工程物理研究院博士学位论文,2006年）在Curran等人（Physics Reports,147（5 & 6）,253-388,1987）的实验研究和封加坡等人（J.Appl.Phys.,81（6）,2575-8,1997）的模型基础上,提出一个逾渗软化函数,用于描述损伤演化后期到灾变断裂之前由于微孔洞聚集导致的材料快速软化过程,并据此引入两个损伤特征物理量：孔洞聚集临界损伤度和断裂临界损伤度,用于表征微孔洞之间发生聚集的临界点和微孔洞聚集后期诱发灾变式断裂的临界点。但是要想进一步建立能够真实反映材料损伤演化过程外在表现和内在规律的物理模型,必须关注材料内部损伤演化的微观特征,从材料学的角度来对这些演化特征进行系统的描述。祁美兰等人（武汉理工大学博士学位论文,2006年）通过建立损伤分布统计方法,对同一发实验的自由面速度剖面信号和“软回收”样品损伤分布的实验和计算结果分别做了比对,验证了模型的合理性。但是这些学者的大部分工作都是建立在完全层裂或是接近断裂临界损伤度的情形下,对于在较低的聚集临界损伤度附近,损伤演化模型及参数的适用性还没有的到很好的证明。本文以高纯铝（99.999%）作为延性金属的模拟材料,在一级气体炮上开展了一维应变平面冲击波加载实验,采用了不同成型的铝型材加工成实验样品（包括棒材和退火处理的板材）,分析了高纯铝在较低损伤度下的损伤演化规律,定量统计了微孔洞的尺寸和损伤分布特征,进一步验证了损伤演化模型的普适性,同时,使用高分辨透射电镜对样品进行了分析与表征,获得孔洞周围亚微米及纳米尺度的结构特征信息。论文的主要工作和创新点归纳如下：1.通过改变飞片厚度（2.0mm-3mm）,控制不同的加载条件,获得了未完全层裂的低损伤度下的实验样品。基于层裂损伤样品的定量金相分析方法,对历经了冲击加载的高纯铝受损样品进行了细观统计分析,并与损伤演化模型计算的结果进行了比较,证明该模型及模型参数在高纯铝材料动态损伤演化初期行为预测上的普适性。2.使用金相分析的方法,分析了高纯铝材料在动态损伤演化发生的初期,材料中孔洞成核与生长行为。结果表明,在高纯铝中,在拉伸载荷作用下,孔洞的成核,生长主要在晶界上发生,沿晶界断裂是最主要的断裂模式。3.完成了高纯铝动态拉伸损伤试样的透射电镜分析,基于高分辨透射电镜的微观观察,揭示出微孔洞成核可能存在一种新的机制,即熔融成核机制。在冲击加载过程中,首先高纯铝试样在压缩波的作用下,发生塑性变形,在较高的应变率下,能量局域于试样中的某些区域,在高压作用下,局部升温熔化。而在应力波拉伸作用时,熔融区域首先出现微孔洞,产生了新的自由面,使熔融区域物质快速卸压、淬火凝固析出纳米晶在损伤演化中,成核区微孔洞内侧析出纳米晶,纳米晶粒尺寸约数纳米到数十纳米,且可能受到拉伸应力的作用而存在一定的晶体取向。基于对冲击波压缩和拉伸两个作用阶段的物理分析,熔融成核机制将为延性金属材料层裂的物理过程提供新的认识,为进一步建立能够真实反映材料损伤演化过程外在表现和内在规律的物理模型提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 动态拉伸断裂研究的实验方法
• 1.3 动态拉伸断裂研究的理论模型
• 1.4 延性金属动态断裂微观机制研究的进展
• 1.5 本论文研究的主要内容
• 第2章 实验技术方法
• 2.1 一级轻气炮工作原理与内弹道
• 2.1.1 一级轻气炮原理图
• 2.1.2 实验室轻气炮设计参数及弹道计算
• 2.1.3 实测弹速与计算弹速比较
• 2.2 层裂实验原理
• 2.3 应力持续时间变化的层裂实验设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 数值计算与金相分析比较
• 3.1 实验设计
• 3.1.1 实验回收舱设计
• 3.1.2 变飞片厚度实验
• 3.1.3 改变加载压力的不完全层裂实验
• 3.2 回收样品的金相分析
• 3.2.1 样品回收
• 3.2.2 实验样品金相分析
• 3.2.3 样品损伤演化统计分析
• 3.3 临界损伤度函数模型普适性验证
• 3.3.1 临界损伤度函数模型简介
• 3.3.2 临界损伤度函数模型参数确定
• 3.3.3 临界损伤度函数模型计算与实验结果比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 延性材料孔洞成核的细观分析
• 4.1 延性材料孔洞成核机理的研究背景
• 4.2 样品设计与金相样品制备
• 4.3 样品孔洞成核的细观分析
• 4.3.1 Shot4样品细观分析
• 4.3.2 Shot5样品细观分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 延性材料孔洞成核的微观分析
• 5.1 透射电子显微镜测试简介
• 5.1.1 透射电子显微镜测试方法
• 5.1.2 透射电子显微镜样品制备方法
• 5.2 成核中重结晶现象表征与分析
• 5.2.1 单点成核区的微观分析
• 5.2.2 多点成核区的微观分析
• 5.2.3 团簇成核区微观分析
• 5.2.4 其他区域的重结晶现象
• 5.2.5 熔融成核机制
• 5.3 其他试样中的重结晶现象
• 5.3.1 试样制备
• 5.3.2 透射电镜观察与分析
• 5.4 微孔洞生长的位错机制研究
• 5.4.1 晶体的塑性变形机制
• 5.4.2 单孔洞生长中的位错现象
• 5.4.3 孔洞贯通中的位错现象
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢