铝合金层状复合材料的动态力学行为及损伤机理

Aluminum layered composites prepared by direct chill continuous casting-rolling technology are a new type of lightweight armor composites, which interfaces have a firmly metallurgical bonding. Regarding these layered composites, to understand their dynamic mechanical behaviors and damage mechanisms plays a key role in achieving their optimal designs. The present project will explore the dynamic performance of self-developed Al-Zn-Mg-Cu/Al-Zn-Mg aluminum alloy layered composites. The influences of strain, strain rate, temperature and ratio of different layer thickness on the dynamic behavior will be evaluated. Based on the obtained results and the mathematical analysis about the influences of strain rate and temperature, the constitutional equations demonstrating the dynamic damage behavior will be built up based on the modifications of Johnson-Cook´s model. Finally, the microstructural evolutions, crack initiations and propagations, and layer morphology during dynamic deformations will be observed using the reconstruction technology of industrial 3D computer tomography and SEM observations. The mechanisms responsible for dynamic deformation damage will be discussed and clarified, which are believed to supply the scientific fundamental for the future design of these aluminum layered composites.

利用复合连铸-轧制技术设计开发的具有冶金结合的铝合金层状复合材料是一种新型的轻质复合装甲材料。动态力学特性及损伤机制是设计优化的基础。本项目拟利用自主设计开发的Al-Zn-Mg-Cu/Al-Zn-Mg铝合金装甲材料为对象，通过变形量、应变率、变形温度及层厚比结构等不同参数条件下动态压缩实验研究，分析其应变率相关性及温度相关性，掌握Al-Zn-Mg-Cu/Al-Zn-Mg铝合金层状复合材料的动态力学特性，并基于现有数学本构模型Johnson-Cook和对其进行修正，建立能够反映变形破坏的动态损伤本构关系。利用工业CT三维重构技术，结合微观组织和断裂形貌，分析Al-Zn-Mg-Cu/Al-Zn-Mg铝合金层状复合材料动态载荷作用下的微观组织演变、裂纹的起裂和扩展及层间变化特征，揭示其微观损伤机制，为优化设计铝合金层状复合装甲材料提供理论依据。

本项目从复合连铸¬-轧制法设计开发的7A52/7055铝合金层状复合材料靶试实验的抗冲击工程问题出发，对选取的7A52/7055铝合金层状复合材料进行准静态压缩实验以及不同温度、应变速率条件下的冲击压缩试验，分析了7A52/7055铝合金层状复合材料的应力-应变、能量吸收和本构模型，并通过扫描电子显微镜对试验后试样进行宏观形貌、显微组织及绝热剪切带观察，当应变率在1000~3000s-1范围内时，7A52/7055铝合金层状复合材料在高应变率下有较高的敏感性，其流动应力随着应变率的增大而升高，而在高温条件下材料的流动应力变化并不明显；7A52/7055铝合金层状复合材料在350℃时能量吸收效果尤为明显，在层厚比为1:2 时，能量吸收效果最佳；基于MATLAB curve fitting拟合出的Johnson-Cook模型能较好地预测实验中铝合金层状复合材料的流动应力。分析了7A52/7055铝合金层状复合材料动态冲击后的断裂断口形貌、内部裂纹和微观组织等微观特征，探明了冲击载荷作用下微观组织的演变规律和裂纹的萌生、扩展及分布等特征，特别是层合界面附近的微观组织和损伤特性。相同实验条件下两种合金不同层厚比结构的7A52/7055层状复合材料的动态力学行为和损伤特性，归纳两种合金不同层结构条件下的动态力学特性变化规律、动态损伤本构模型的影响规律、裂纹形成与扩展规律。