基于Hopkinson杆加载的材料微观力学行为原位测试技术及其在金属绝热剪切研究中的应用

Dynamic mechanical behaviors of materials are closely related to their microstructures and in-situ mechanical testing technique is a powerful tool to uncover their relationship. However, there is no such apparatus that could simultaneously record both the dynamic mechanical properties and microstructural morphology evolution, which limits the development of impact dynamics. Based on split Hopkinson bar, this project aims to design a testing apparatus with in-situ observation unit and to accomplish an experimental method of dynamic mechanical testing combined with high-speed microscopic observation. Adiabatic shear localization (ASL), a typical phenomenon of dynamic deformation instability, will be studied by the designed equipment. The effects of microstructure, especially grain size, on the initiation and propagation of ASL will be examined. This project will provide a new technique for investigating dynamic mechanical behavior of materials, which is supportive for understand comprehensively the relevancy between microstructure and macro-mechanical performance. Meanwhile, the results on relationship between ASL and microstructure evolution will be helpful in uncovering the condition and criterion of ASL initiation and clarifying the current debate, which has important scientific significance.

材料的动态力学性能与其微观组织结构密切相关，而原位力学测试技术是研究二者之间关联规律的有力工具。目前，国际上尚无一种能够同时进行动态力学性能测试与微观组织形貌观测的实验装置，制约了冲击动力学学科的发展。本项目拟以分离式Hopkinson杆为基础，设计一套具有原位观察能力的测试装置，建立动态力学测试与高速显微观测相结合的实验方法；并选取绝热剪切局部化(ASL)这一典型的动态变形失稳过程作为研究对象，利用所设计的动态原位力学测试装置研究微观组织结构(尤其是晶粒尺度)在ASL产生和发展过程中所起作用及演化规律。本项目的研究成果将为材料动态力学行为的研究提供一种新的技术手段，对于深刻理解冲击载荷下材料微观组织结构与宏观力学行为之间的关联规律这一科学命题起到支撑作用；同时利用该实验装置对ASL与材料微观组织演化规律的研究将有助于明确ASL的产生条件和判据，澄清当前存在的争议，具有重要的科学意义。

本项目建立了一套高速显微原位测试系统，该系统以单脉冲加载分离式Hopkinson杆为基础，结合高速显微摄影系统、高强光源和同步控制系统，具备了高时间分辨率和高空间分辨率下原位变形观测的能力。实验结果表明，该系统最高时间分辨率达到0.2μs，最高空间分辨率达到1.1μm，通过图像分析和处理，可以获得材料在高应变率变形时的微观形貌演变历程。以该系统为基础，系统研究了金属材料的绝热剪切局部化行为，提出温度升高可能不是绝热剪切带产生的主要原因，而是其导致的结果，该实验发现对传统的热塑性失稳理论提出质疑，引发了该领域的广泛争论。同时通过对超细晶材料力学行为的对比研究，获得了绝热剪切局部化对晶粒尺度的依赖性。依托本项目共发表学术论文10篇，SCI索引10篇，其中2019年发表于物理评论快报（PRL）的论文被选为“主编推荐”（Editor’s Suggestion）并在杂志主页展示。申请发明专利4项，培养研究生6人（毕业5人）。项目负责人于2019年获国家优秀青年基金资助，2020年获陕西省青年科技奖。