低碳钢Q235在高应变率加载下的变形和损伤

四川大学硕士学位论文题目作者完成日期2016年5月5日培养单位四川大学指导教师朱俊教授专业凝聚态物理研究方向金属变形和损伤破坏授予学位日期2016年6月四川大学硕士学位论文I低碳钢Q235的层裂行为研究凝聚态物理专业研究生李超指导教师朱俊教授金属在动态加载下的响应时一个经典问题，比如在强冲击载荷下金属的变形和损伤失效问题。这类问题涉及到人们对一些汽车、飞机等撞击事件的解释，而这些解释是在人们从一些简单的实验现象归纳出一些机理性的认识上。金属的变形和破坏本身是一个非常复杂的现象，其中应力状态、应变率、应力持续时间等因素不同都会导致金属的变形模式和破坏模式的巨大差异。低碳钢Q235是普通的碳钢，铸造成本低廉，容易成型，应用广泛，是典型的体心立方结构的合金，层错能高而对应变率比较敏感，在低温或者高应变率下会发生韧脆性转化。在本文中主要研究了低碳钢Q235在高应变率下的变形和破坏情况，在宏观上探讨脉宽、应变率、峰值应力对层裂强度、及回跳加速度的影响，其中还对比了中、低应变率的单轴拉伸试验，辅助以abaqus有限元模拟，在细观和微观上探讨不同的加载条件下低碳钢Q235的变形模式和破坏模式。实验得出的结果如下；1.层裂强度强烈地依赖于应变率、峰值应力，而与脉宽关系不大。层裂强度表示为损伤成核的临界拉应力，脉宽提供这些损伤长大的拉应力持续的时间，损伤成核需要一定的孕育时间，在高应变率的情况下，短的孕育时间对应的高的拉应力。初始层裂时，成核比较稀疏，层裂强度为弱区的强度，完全层裂时，材料中成核越比较密集，层裂强度代表材料的平均强度，这是导致从初始层裂到完全层裂时，层裂强度会随峰值应力的增加而增加。2.应变率、峰值应力、脉宽对回跳加速度的影响趋势和层裂强度相似，这是因为回跳加速度的大小表示着破坏速率的大小，而层裂强度比较损伤成核时的临界拉应力，高的临界拉应力会导致高的成核率和高的损伤长大速率，这对应着大的破坏速率。损伤度随峰值应力、脉冲时间的增加而增加，它们的量化关系为sigmoidal生长函数。四川大学硕士学位论文II3.一维应力实验中，随着应变率的升高，位错密度越高，位错分布越均匀，相应的位错组态演化得越不充分。在一维应变实验中，随着冲击速度的增加，塑性变形量随着增加，当冲击速度400m/s，会有变形孪晶出现。4.一维应力实验中，拉伸应力靠剪切应力承载，材料的断裂总会在塑性变形最严重的地方并且在拉应力和剪应力的作用下开始成核，随着应变率的增加，材料断裂前应变越来越少，材料会越来越脆。而在一维应变实验中，拉应力不需要剪应力来承载，拉应力通常比剪切应力大一个数量级，通常拉应力来控制材料破坏的。低的冲击速度会导致脆性破坏而高的冲击速度会导致延展性破坏。关键词：低碳钢，层裂，应变率，位错组态，损伤四川大学硕士学位论文IIITheinvestigationofspallbehaviorinamildsteelSpecialty:CondensedMatterPhysicsPostgraduate:LiChaoSupervisor:Prof.ZhuJunTheresponseofthemetalunderhighstrainrateloadingisclassicalquestion,forexamplethedeformationanddamageofthemetalunderhighexplosive-driven.That’sconcernedabouttheinterpretationofthedynamicevents.Inthisarticle,weresearchthedeformationanddamageofthemildsteelQ235underhighstrainrateloading,toinvestigatetheeffectsofpulseduration,strainrate,peakstressonthespallstrength,deformationanddamagemode.Theconclusionisshowedas;1.Ourexperimentsdemonstratestrongdependencesofthespallstrengthonpeakstressandstrainrate,anditsweakdependenceonpulseduration.Inhighstrainrateloading,spallstrengthreflectsthecriticalstresstoinitiatedamage，andpulsedurationlargelysuppliesthetimewindowfordamagegrowthbecausenucleationofvoidsorcracksrequiresafiniteincubationtime.Athigherstrainrates,thetimeavailableforincubationisless.Suchadeficiencyiscompensatedbyhigherdrivingforce.Atincipientspallation,thedamagewasonlynucleatedattheweakarea,thespallstrengthwasrepresentthestrengthoftheweakarea,whileatfullspallation,thedamagewasnucleateddenselyandspallstrengthrepresenttheaveragestrength.2.Theinfluenceofthepulseduration,strainrate,andpeakstressonpullbackaccelerationissimilaritytotheeffectsonthespallstrength.Thisisbecausethatpullbackaccelerationcanrepresentthefracturerate,thehighcriticaltensilestresscanleadtothelargernucleationrateandgrowthrate.Damageincreaseswithincreasingpeakstressandpulseduration.Theirrelationsarequantifiedassigmoidalfunctions.3.Intheone-dimensionalstressexperiment,withtheincreasingstrainrate,四川大学硕士学位论文IVdislocationisnucleatedmoreuniform,itsdensityishigheranddislocationpatternsevolutionisnotfully.Intheone-dimensionalstrainexperiment,theamountofplasticstrainincreasewiththeshockvelocity,whentheshockvelocityexceed400m/s,thedeformationtwinemerge.4.Intheone-dimensionalstressexperiment,thetensilestressonshearstressload,thedamagewasnucleatedunderthecoupleofthetensilestressandshearstressatareatheplasticstrainisfiercely.Whilethestrainrategetshigher,theflowstressgetshigher,andtheareathatsubjectfiercelyornotplasticstrainbothnucleatedandthematerialgetbrittle.Wheninthecaseoftheone-dimensionalstrainexperiment,thetensilestressisoneorderofmagnitudehigherthantheshearstress,thehugetensilestresscanleadthematerialtonucleatethedamage.Thus,thelowshockvelocitycanleadthematerialbrittlefractureandthehighshockvelocityleadthematerialductilefracture.Keywords：mildsteel，spallation，strainrate，dislocationpattern，damage四川大学硕士学位论文V目录1绪论..........................................................................................................................11.1本论文研究的目的和意义...........................................................................11.2层裂研究的历史回顾...................................................................................21.3层裂现象中的物理力学过程.......................................................................41.4本文研究的主要内容...................................................................................82层裂实验原理与方法............................................................................................102.1低碳钢Q235原始表征..............................................................................102.2层裂实验的基本原理.................................................................................102.2.1一级轻气炮......................................................................................112.2.2样品设计原则..................................................................................122.2.3实验中峰值应力、冲击波脉宽、拉伸应变率的确定................132.2.4DPS测试原理与数据处理............................................................152.3分离式霍普金森拉伸杆实验（SHTB）.................................................162.4电子被散射衍射（EBSD）技术.............................................................172.4.1EBSD技术简介...................................