冲击加载下金属材料的准弹性行为研究

冲击加载下材料的准弹性行为与高压强度及本构关系研究密切相关。本项目以典型的金属材料铝和抗氢钢为研究对象，综合目前高压强度及其本构关系研究的新进展，采用一级轻气炮和激光加载技术、DISAR测试技术和锰铜计测试技术，对冲击波作用下的准弹性行为进行较系统研究。以加窗DISAR高压声速测量方法为基础获取准弹性过程的有效剪切模量；通过采用横向应力计方法对双屈服面测量强度方法进行解耦，获得不依赖于各向同性硬化假定的剪应力实验结果。通过实验测得的高精度有效剪切模量和剪应力数据，获取准弹性行为的定量变化规律信息；以有效剪切模量和剪应力为宏观度量，结合微观分析阐述准弹性行为的宏微观机理；在此基础上建立描述准弹性行为的本构方程，并用于铝和抗氢钢加载－卸载/再加载速度剖面的数值模拟。研究结果也直接用于对双屈服面测量高压强度方法和相关高压本构模型的评估。

准弹性特性（偏离理想弹塑性特征）是冲击波作用下重要的材料动力学响应特性，与高压强度及本构关系研究密切相关。本项目采用原位测量技术开展了单晶LiF窗口材料的冲击实验，获得了高精度的冲击Hugoniot数据和速度修正参数；突破了多层组合飞片技术，结合反向碰撞方法克服了冲击加载-再加载实验难题；基于上述成果建立了高精度的加窗DISAR粒子速度剖面及高压声速测量技术。通过比较分析，发现了横向应力计方法在高压剪应力测量中存在的问题，确认了双屈服面方法中同性硬化假定的合理性。在此基础上开展了铝和钢的冲击加载-卸载和冲击加载-再加载实验，由DISAR测量的粒子速度剖面获得了准弹性卸载/再加载过程的声速，进而计算得到了有效剪切模量和剪应力（基于双屈服面方法）。以有效剪切模量和剪应力为宏观度量，结合粒子速度剖面，定量和定性分析相结合分析了准弹性行为的冲击压力、冲击波持续时间以及晶格结构（FCC和BCC）的相关性，深化了其规律性认识。在此基础上建立了描述卸载和再加载准弹性行为的统一本构方程，应用该方程较好模拟了铝的冲击加载－卸载和冲击加载-再加载速度剖面。金属玻璃强度特性研究进一步提升了准弹性行为机理的认识。