极端温度下高强高韧铝合金的动态力学响应与失效行为

高强高韧铝合金作为重要的航天航空用结构材料，常处于一些特殊工况和极端温度环境下，此时材料不仅承受强动载荷下的高应变率，同时还伴随着有高温（或超低温）的作用，因此，全面认识和掌握典型的高强高韧铝合金材料在极端温度、高应变率及其耦合作用下的力学响应与失效是十分必要的。本项目拟通过优化设计与分离式Hopkinson杆测试系统和一级轻气炮测试系统相配合的试样温控技术，针对典型的高强高韧铝合金开展其在极端温度和高应变率耦合条件下的力学性能和层裂失效试验研究，获得材料的力学响应对温度、应变率的依赖性，揭示高强高韧铝合金材料在不同温度下的变形机制和失效机理，建立考虑温度和应变率效应的高强高韧铝合金材料热粘塑性本构方程及损伤失效模型，并把本构模型和损伤失效模型嵌入有限元程序LS-DYNA，开展相关的数值模拟研究，以检验理论模型的适用性。

以两种典型高强高韧铝合金(2024-T4,7075-T6)作为研究对象，开展了不同外载荷条件和不同温度条件下动态力学响应和失效实验研究。优化设计了与分离式Hopkinson杆测试系统相配合的试样温度温控技术，获得了2024-T4和7075-T6在高应变率和极端温度条件下动态应力-应变曲线，揭示应变率和温度对材料动态力学响应的影响规律。采用不同加载方式研究了高强高韧铝合金（2024-T4、7075-T6）在常温下的动态拉伸断裂行为，发现2024-T4相比于7075-T6铝合金具有更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力，2024-T4断裂起因于孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相形成脆性穿晶断裂；而7075-T6则原部分孔洞或裂纹在晶界成核增长发生沿晶断裂，部分在晶内强化相周围形成孔洞从而造成穿晶断裂，表现出韧性和脆性混合断裂特征。采用带温控装置的冲击摆锤试验机和一级轻气炮作为加载手段，开展了不同温度条件下2024-T4和7075-T6材料失效行为的实验研究，认识了温度对材料冲击韧性和层裂失效行为的影响规律。基于实验结果，发展了考虑温度影响的内聚力层裂模型，讨论了内聚力模型参数对温度的依赖性，计算的不同温度下的两种铝合金层裂自由面速度波剖面与实验结果符合性很好。