热力耦合作用下相变波传播特性及微力学机理研究

The propagation of phase transformation wave is a thermal-mechanical coupling process containing multi space scale and multi time scale. This project seeks to explore the connection between the macroscopic characteristics of phase transition wave structure and the evolution of crystal phase structure distribution. In the experimental research, temperature effect on the extension and fuse of micro-and meso crystalline phase structure interface, and influence of boundary shape on the propagation of phase transition wave. This has yet to see mature work. In the theoretical research, the multi-scale analysis method is employed to overcome the difficulties in the present existing theories. At the micro mechanics, a two-dimensional pattern of distribution and evolution of crystal structures is built, at the macro scale, the statistic and equivalent method is adopted to study the interaction law of phase transformation waves and different shape boundaries.To explore the possibility of using multi-scale method to solve engineering problem, a dimensional analysis is introduced to carry out the further theoretical research. The multi-scale analysis in the present project can be used to describe the propagation of phase transition wave on conditions of more phase transformation types, more complex shape boundaries and more temperature distributions, which greatly promote the development and improvement of phase transition wave. The wave response and its micro mechanics mechanisms revealed in the present project under thermal-mechanical coupling is of important practical value to earthquake engineering, geophysical exploration and mechanical processing.

相变波传播是一包含多空间尺度、多时间尺度的热力耦合过程，本项目尝试探索宏观相变波波形结构和微细观晶相分布演化特征的联系。实验方面，研究晶相界面扩展、融合的温度效应，以及边界面形状对相变波传播的影响，此方面尚未见成熟的工作。为克服现行理论上的困难，理论研究采用多尺度分析思想，微细观上建立晶相结构分布演化的二维图案，宏观上则采用统计等效方法，分析相变波和不同形状界面的相互作用规律。为探讨应用多尺度方法解决工程问题的可能性，引入量纲分析方法，进行更深入的理论研究。本申请的多尺度模型可描述更多相变类型、更复杂界面形状、更多温度分布条件下相变波传播问题，有力的促进了相变波传播理论的发展和完善。本研究揭示的在热力耦合作用下相变波传播规律及微力学机理，对地震工程、物探、机械加工等领域有十分重要的实用意义。

相变一般受应力和温度的调控，因此，相变波的传播和时空演化是一个热力耦合过程。温度对相变波传播特性的影响规律和机理是一个基本的理论问题。本项目采用实验、理论和数值计算相结合的分析方法，系统的研究了热力耦合条件下TiNi合金相变动力学行为及相变波传播规律，揭示了相变波传播与温度演化的相关性。实验方面，建立了一套瞬态测温实验装置，通过系统的撞击实验，发现TiNi合金动态相变过程中温度演化和非线性硬化的应变率效应。理论方面，基于特征线理论，系统的分析了温度界面对相变波传播特性的影响，进而，通过量纲分析和数值计算研究了相变波在温度梯度介质中的传播特征，发现由于温度梯度的作用将形成物质梯度。基于最大耗散能原理，建立了热力耦合的相变本构模型和相变动力学关系，揭示了温度对相变波传播作用的机理，微观上，温度是诱发相变成核的一重要物理量，宏观上，相变的自热效应改变了相变波后方区域的温度，该温度的变化为相变波的传播提供了驱动能量。本研究揭示的在热力耦合作用下相变波传播规律及微力学机理，对地震工程、物探、机械加工等领域有十分重要的实用意义。