基于阻抗梯度飞片技术的极端条件下材料本构建模实验方法研究

Material's dynamic yield strength and constitutive modeling under extreme state of pressure, temperature and strain rate are the key and difficult problems in the field of impact dynamics. For a long time, such research mainly relies on the Hopkinson bar technique and the shock wave technique, which causes some limitations in both strength data and constitutive models。In recent years, the quasi isentropic loading techniques showing a good ability to control the loading path, which provide an opportunity for the study of the yield strength behavior and constitutive model under extreme conditions. Basing on the graded- impedance impactor technique, we will develop precision control method of pressure, temperature and strain rate under uniaxial strain dynamic loading, and design a series of state-related experiment of Aluminum Alloy for obtaining yield strength data by using the self-consistent method. The yield strength variation under constant strain rate, constant pressure and constant temperature is obtained by comparing of the state-related data, respectively. These variations will be analyzed for studying how the factors of pressure, temperature and strain rate effect to yield strength, which will be used to improve constitutive model framework and establish a constitutive model for describing the yield strength behavior of aluminum alloy under quasi isentropic loading.

极端压力、温度和应变率条件下材料屈服强度（简称强度）特性与本构模型是冲击动力学领域的核心问题，也是难点问题。长期以来，相关研究主要依赖Hopkinson杆技术和冲击波加载技术，强度实验数据类型单一，定量关联性分析缺乏，本构模型适用性存在诸多限制。近年来发展的包括阻抗梯度飞片在内的等准等熵加载技术具有良好的加载路径调控能力，为极端条件下材料强度特性与本构模型研究提供了新机遇。本项目将发展基于阻抗梯度飞片技术的一维应变强动载荷作用下压力、温度和应变率的精密调控方法，设计系列状态关联的铝合金强度实验，采用双屈服面方法获取传统加载技术所无法达到的极端状态下的强度数据；通过相关强度数据的比较获取恒应变率、恒压和恒温等情况下的铝合金强度变化信息，分析极端条件下强度的压力、温度和应变率耦合或解耦特性并改进本构模型架构，由此建立适用于描述准等熵加载铝合金强度特性的本构模型。

通过改进阻抗梯度飞片设计，优化阻抗梯度飞片的波阻抗-厚度分布关系，结合台阶样品尺寸控制和梯度飞片加载波形动态考核实验结果，建立了具有稳定初始冲击、准等熵加载段应变率基本保持不变的恒应变率加载能力，在典型金属中实现了峰值压力~80 GPa、应变率105/s- 106/s、温度~103K的加载条件，并成功应用于单晶[100]LiF、LY12铝强度实验。在此基础上，完善磁驱准等熵加载波形调控能力，掌握基于磁驱的冲击-准等熵复杂加载技术。为后续开展路径可控复杂加载条件下材料高压强度等动力学行为研究提供了技术支撑。 利用改进的阻抗梯度飞片技术和磁驱技术，实现与双屈服面方法结合，建立了冲击-准等熵、准等熵等路径可控加载条件下强度测量实验方法，为开展材料强度的压力、温度和应变率解耦研究提供了技术支撑；充分利用阻抗梯度飞片技术和磁驱技术的路径可控加载特点，设计并开展了状态相关联的冲击加载、准等熵加载、冲击-准等熵加载等强度实验研究，获得了LY12 铝合金、[100]LiF强度数据，为较全面比较分析压力、温度、应变率等因素对强度影响提供了基础。 利用实验获得的LY12 铝合金、[100]LiF单晶的多个压力点强度数据，通过SCG模型、PTW模型本构模型的综合比较，分析压力、应变率和温度等对强度的影响，建立了适合于描述LY12铝合金及[100]LiF单晶强度特性的本构方程和模型参数。