低碳钢Q235在高应变率加载下的变形和损伤.doc

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3. 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>400 m/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 The investigation of spall behavior in a mild steelSpecialty: Condensed Matter PhysicsPostgraduate: Li Chao Supervisor: Prof. Zhu JunThe response of the metal under high strain rate loading is classical question, for example the deformation and damage of the metal under high explosive-driven. That’s concerned about the interpretation of the dynamic events. In this article, we research the deformation and damage of the mild steel Q235 under high strain rate loading, to investigate the effects of pulse duration, strain rate, peak stress on the spall strength, deformation and damage mode. The conclusion is showed as;1. Our experiments demonstrate strong dependences of the spall strength on peak stress and strain rate, and its weak dependence on pulse duration. In high strain rate loading, spall strength reflects the critical stress to initiate damage，and pulse duration largely supplies the time window for damage growth because nucleation of voids or cracks requires a finite incubation time. At higher strain rates, the time available for incubation is less. Such a deficiency is compensated by higher driving force. At incipient spallation, the damage was only nucleated at the weak area, the spall strength was represent the strength of the weak area, while at full spallation, the damage was nucleated densely and spall strength represent the average strength.2. The influence of the pulse duration, strain rate, and peak stress on pull back acceleration is similarity to the effects on the spall strength. This is because that pull back acceleration can represent the fracture rate, the high critical tensile stress can lead to the larger nucleation rate and growth rate. Damage increases with increasing peak stress and pulse duration. Their relations are quantified as sigmoidal functions.3. In the one-dimensional stress experiment, with the increasing strain rate, dislocation is nucleated more uniform , its density is higher and dislocation patterns evolution is not fully. In the one-dimensional strain experiment, the amount of plastic strain increase with the shock velocity, when the shock velocity exceed 400 m/s, the deformation twin emerge.4. In the one-dimensional stress experiment, the tensile stress on shear stress load, the damage was nucleated under the couple of the tensile stress and shear stress at area the plastic strain is fiercely. While the strain rate gets higher, the flow stress gets higher, and the area that subject fiercely or not plastic strain both nucleated and the material get brittle. When in the case of the one-dimensional strain experiment, the tensile stress is one order of magnitude higher than the shear stress, the huge tensile stress can lead the material to nucleate the damage. Thus, the low shock velocity can lead the material brittle fracture and the high shock velocity lead the material ductile fracture.Key words：mild steel，spallation，strain rate，dislocation pattern，damage58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 132.2.4 DPS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 172.4.1 EBSD技术简介 172.4.2 EBSD实验的样品制备 192.5 损伤程度的统计 192.6 abaqus有限元分析 192.7 本章小结 203 宏观力学性能测量和实验结果分析 213.1 脉宽、应变率、峰值应力对层裂强度的影响 213.1.1 脉宽对层裂强度的影响 213.1.2 应变率对层裂强度的影响 223.1.3 峰值应力对层裂强度的影响 233.1.4 实验结果的讨论 243.1.5 对实验结果的分析 263.2 断裂强度的率敏感性 283.2.1 低、中应变率下的拉伸试验 283.2.2 高应变率实验和低、中应变率实验的比较 29。