冲击材料特性.doc

冲击载荷下材料的力学性能  chongjizaihexiacailiaodelixuexingneng冲击载荷下材料的力学性能mechanicalpropertiesofmaterialsunderimpulsiveload在持续短暂时间的强载荷作用下,材料会发生变形和破坏,相应的组织结构和性能也会发生永久性的变化。冲击载荷下材料的变形行为,表现为变形同应力、应变率(应变随时间的变化率)、温度、内能等变量之间的复杂关系,包括屈服应力(见屈服条件)和流动应力的应变率效应、温度效应及应变率的历史效应等等。描述这种关系可用高压固体状态方程和各种本构方程(见本构关系)。在冲击载荷的作用下,材料有多种动态破坏形式,主要表现在以下几个方面:①局部大变形;②温度效应引起的绝热剪切破坏;③应力波相互作用造成的崩落破坏;④应变率效应引起的动态脆性。这几方面的力学性能都以各种时效、热与机械功的耦合以及有限的体积变形和塑性畸变为特征,这些特征有时是同时存在的,有时则某一点更为突出。冲击载荷在材料中引起的微观组织的特殊变化(如动态相变等),有些是不可逆的,在载荷去掉之后,对材料的力学性能仍然有明显的影响,这种现象称为冲击载荷的遗留效应。机械碰撞和各种形式的爆炸载荷是最常见的冲击载荷。它们的强度一般至少都足以引起材料的塑性变形,而载荷持续的时间则从纳秒(如薄膜的撞击和辐射脉冲载荷)、毫秒至秒(如核爆炸或化学爆炸对结构物的载荷)的量级。通常根据受冲击载荷作用的材料的质点速度和特征强度(如屈服应力)将冲击载荷分为低速、中速、高速三种,受冲击载荷作用的材料特性也相应地分为三种:①低速冲击载荷/约为10~10(为材料的密度)。介质变形量不大,以时效现象为主,可用等温近似方法处理。②中速冲击载荷/约为10~10。介质发生有限弹塑性变形,时效、热与机械功的耦合都比较明显,体积可压缩性也需要考虑,相应地有各种描述变形过程的本构关系。③高速冲击载荷/约为10~10与材料强度有关的诸效应退居次要地位,而以体积压缩变形和热的耦合为主要特征。介质变形可按照可压缩流体处理,其变形行为可用各种高压状态方程描述。高速冲击载荷下材料变形的描述材料在高速冲击载荷下的变形行为,通常用以内能、体积和压力为参量的高压固体状态方程描述。这种方程反映固体在大体积变形的情况下体积变形功和固体内能(物质结构势能和热振动能)之间的关系。米-格吕内森方程是最常用的高压固体状态方程:[58a1],式中为压力;为体积;为内能;为格吕内森系数;[58a2]为“冷”压;为“冷”内能,反映晶体点阵的势能该方程适用于<10帕。在更高的压力下,不同物质的结构(如点阵)已不存在,物质成为某种统一的状态(如电子-核体系)。适用于这种情况的状态方程有托马斯-费密方程(TF方程)和托马斯-费密-狄克方程(TFD方程)等。在爆炸力学中还常用许多经验性的高压固体状态方程,适用于和米-格吕内森方程相仿的压力区间,如蒂洛森方程:[58-01]式中=+1=/;和分别为初始密度和密度;为比内能(单位质量物质的内能);为物质常数;、、、为实验参量(见表1[某些材料的实验参量])。中低速冲击载荷下材料变形的描述在中、低速冲击载荷作用下材料的变形行为主要涉及应变率和温度效应,对变形行为的描述有各种形式的本构方程。应变率和温度效应在中低速冲击载荷作用下,材料不同程度地表现出各种时效,主要是应变率效应。高应变率效应往往相当于低温效应。常用一个温度和应变率组合而成的参量(Z-H参量)ln(/)来表示温度和应变率对应力-应变关系、屈服应力和流动应力产生的综合效应(为材料常数)。分述如下:①屈服应力的应变率效应和温度效应屈服应力随Z-H参量增大而降低。在高应变率条件下,会发现载荷虽已超过屈服应力,但屈服现象并不立即出现,如冲击载荷下材料的力学性能  碳钢的塑性变形可滞后几十微秒才发生,这称为屈服滞后。②流动应力的应变率效应和温度效应在应变率为10~10秒的范围内,流动应力大致随应变率的对数呈线性变化。参量[59-01]一般随温度和应变的增大而增大。对于大多数金属,的范围约为10~10帕。如钼约为72×10帕,铍为18×10帕,钛合金约为50×10帕。在≈10秒处,多数金属材料的流动应力随应变率的提高而剧增。③应变率历史效应表示材料对过去应变率历史不会立即“忘却”如在剪应变率[59-06]发生跳跃(由[59-06]跳到[59-06])的实验中,跳跃后的应力-应变曲线并不立即与恒定[59-06]条件下的曲线重合。图1[铝合金(%)在两种恒应变率和应变率由低跳高时的应力—应变曲线]给出三个实验中剪应变率发生跳跃时的应力-应变曲线,(、)时,剪应变率从[59-06]突然跳到[59-06],这时的应力-应变曲线与