文档介绍：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
第1章绪论
课题背景
2A12 铝合金由于具有低密度、高强度的特点,因而成为航空、航天和军
工部门的常用材料。特别是在空间碎片超高速撞击防护中,2A12 铝合金是防
护屏的常用材料。它的化学成分类似于美国标准中的 2024 和苏联标准中的
16。随着现代航空、航天事业的发展及满足未来战争的需要,2A12 铝合金在
其加工以及服役过程中会不可避免地承受高温、高压条件下的冲击载荷作用。
其构件或结构处于高温或高速变形状态。
2A12 铝合金在高温下的高应变率载荷作用下的力学实验现象是十分复杂
的,它依赖于许多因素。不仅与材料本身的内部构造有关,而且与外部加载条
件如加载速率、加载的大小有关,同时还受加载时的环境因素如温度、湿度以
及围压等的影响。其中加载速率和加载时温度的影响是很重要的,2A12 铝合
金在不同的变形阶段如弹性变形阶段[1]、塑性变形阶段和冲击熔化后的流体阶
段,本构方程的表达形式也是不同的,加载和卸载阶段的本构关系也是不同
的。对控制这些现象的物理机制还不是很清楚,因此至今在研究冲击载荷下
2A12 铝合金的材料响应还没有一个统一的本构关系模型,而只有在某些特定
条件下的本构关系模型。但由于这些模型的参数太多,而计算程序却要求尽量
避免复杂而引入参数过多的模型,使得这些模型在实际应用中受到了不同程度
的限制。
Johnson-Cook 材料强度模型是一个能反应金属和合金材料的应变硬化效
应、应变率强化效应和温度软化效应的强度模型,起初就是为了数值计算而建
立的,并且被常用的数值模拟软件 AUTODYN 所收录确定材料的强度。但是
AUTODYN 软件的材料库中并没有提供 2A12 铝合金关于 Johnson-Cook 材料强
度模型的参数。对其参数的确定需要高温条件时 2A12 铝合金对应于某一动态
应变率的屈服强度。但在我国,这种材料的动态力学性能,特别是高温时高应
变率条件下的动态应力-应变关系、动态屈服强度以及对温度的敏感性却很少
有报道,在《中国航空材料手册》这一大型综合实用工具书中,有关资料也不
够全面。
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
国内外研究现状
1991 年,中国科学院力学研究所王春奎等人采用一维 Hopkinson 压杆实验
装置及管式高温加热炉对 2A12 铝合金在常温至 400℃动载下进行了屈服强度
的测试及研究,得到了 2A12 铝合金的屈服强度随温度变化的曲线[2] 。同年,
他们又利用相同的实验设备,在常温至 450℃的温度区间内和动载下进行了
2A12 铝合金弹性模量的研究。应用一维应力波的传播理论测得了 2A12 铝合金
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E(T )随温度的变化曲线[3]。第二年,王春奎等人对 2A12 铝合金进行了动态冲
塞剪切破坏强度的测试及研究,得到了 2A12 铝合金的动态冲塞剪切破坏强度
与其静态结果之比为 ∶1~4∶1,而且随着温度的升高,动态的强度远大于
同温度的静态强度的结论。在 1994 年,他们还对 2A12 铝合金在扭转
Hopkinson 杆上进行了动态剪切模量的测试研究,并给出相应从常温到 400℃
的杨氏模量及泊松比,得到了 2A12 铝合金对于温度和应变率都是敏感的结
论,认为高应变率下相对于静态的温度,敏感性要弱一些,并且给出了剪切模
量、弹性模量等与温度的关系式[4]。
1995 年中国工程物理研究院流体物理研究所张万甲等三人采用炸药爆轰-
分离飞片加载装置与电容传感技术相结合,由高速示波器连续记录靶板自由面
速度剖面,通过波剖面的时间分辨测量,研究了 2A12 铝合金材料的动力学响
应特性,并给出了在弹性-理想塑性模型假设下的本构关系,还给出了它们的
动态断裂强度,并对标准化层裂强度与破坏比功、屈服强度之间的相关性进行
了分析和讨论[5]。
2002 年郭永良等人[6]利用 INSTRON 试验机得到了 2A12 铝合金的微屈服
强度。
2005 年彭向和等人[7]使用 Gleeble1500 热力模拟实验系统研究了温升率及
其历史对 2A12 铝合金拉伸破坏的影响。对采用不同温升率加热到给定温度后
的试件进行拉伸实验,结果发现在相同工作温度下经历较高温升率历史的试件
强度较低;以不同温升率对不同预载应力水平的快速加热直至破坏试件,发现
预载应力相同时经历较高温升率试件的失效温度较低。他们还对试件断口附近
材料金相组织进行了分析,发现当工作温度或预载应力水平相同时,较高温升
率下材料的微缺陷明显增加,高温升率造成局部热失配及材料微观组织结构的
损伤。不同温度、应力和时间下材料的