本文關(guān)鍵詞：穿甲彈用鎢合金的沖擊實驗與納觀力學(xué)機理模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京理工大學(xué)》 2015年

穿甲彈用鎢合金的沖擊實驗與納觀力學(xué)機理模擬研究

于超  

【摘要】：鎢合金材料以優(yōu)良物理、力學(xué)性能，在國防軍工應(yīng)用材料中占有不可替代的地位，但在使用過程面臨高溫高壓等極端條件，其微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯變化，使得材料的性質(zhì)與常溫常壓下不同，且極端條件下鎢合金材料的相變、微觀效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等性質(zhì)很難通過實驗獲得。為了從原子水平深入認(rèn)識鎢合金材料在極端條件下的性質(zhì)，探索微觀結(jié)構(gòu)與宏觀之間的聯(lián)系，本文回顧了前人對鎢合金材料宏觀的動態(tài)力學(xué)特性和細(xì)觀損傷理論的研究，采用實驗與分子動力學(xué)方法對鎢合金材料在典型極端條件下的一些重要問題進(jìn)行了有益的探索和研究，具體工作如下： (1)基于伺服式疲勞試驗機MTS810和旋轉(zhuǎn)盤式桿-桿型沖擊拉伸實驗裝置對鎢合金材料分別進(jìn)行了室溫下準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)對比拉伸實驗，并分析了試件斷口形貌。研究表明：室溫準(zhǔn)靜態(tài)加載下，鎢合金材料沒有塑性變形，是典型的脆性斷裂，且隨著應(yīng)變率的增加，材料的強度有所升高；室溫動態(tài)加載下，鎢合金材料表現(xiàn)出了一定的塑性特性，出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，并且隨著應(yīng)變率的增加，材料的強度與剛度逐漸升高，而且動態(tài)加載比靜態(tài)加載的鎢合金屈服強度明顯升高，且鎢合金表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)；在實驗研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合EAM勢和分子動力學(xué)方法，編寫了鎢合金材料的拉伸程序，研究了鎢合金材料的不同晶體結(jié)構(gòu)在拉伸和溫度作用下的晶體結(jié)構(gòu)、相變及屈服強度。由EAM勢預(yù)測的晶體結(jié)構(gòu)、延展性和頸縮行為與實驗結(jié)果基本一致，說明該勢函數(shù)適用于鎢合金晶體，具有良好的拓展性。鎢合金晶體在低應(yīng)變率與高應(yīng)變率下延展性具有不同特性，且在高應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)特有的雙峰現(xiàn)象。研究了鎢合金晶體屈服強度在加載速率、溫度、尺度和晶向效應(yīng)變化下的響應(yīng)，與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，并將分子動力學(xué)模擬鎢合金晶體拉伸高應(yīng)變問題進(jìn)行了拓展，獲得高應(yīng)變率下的響應(yīng)公式。 (2)利用三點彎實驗機與S-570掃描電鏡試驗系統(tǒng)對鎢合金材料裂紋擴展及其斷裂行為展開了研究，觀測到不同細(xì)化顆粒鎢合金裂紋試件在拉伸加載過程中，鎢合金首先發(fā)生塑性變形，鎢顆粒附近的黏結(jié)相承受大部分的載荷，而鎢顆粒周圍產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，預(yù)制裂紋附近的缺陷首先發(fā)展成為裂紋源，隨后微裂紋在黏結(jié)相中發(fā)生擴展演化，總結(jié)了鎢合金裂紋擴展規(guī)律；并采用編寫的分子動力學(xué)程序?qū)︽u合金I型裂紋擴展模型進(jìn)行了研究，分析了鎢合金晶體在拉伸作用下的裂紋擴展機理。結(jié)果表明鎢合金晶體裂紋擴展尺寸與裂紋擴展臨界應(yīng)力均為各向異性：沿著[123]晶向的裂紋擴展，其臨界應(yīng)力最大，沿著[112]晶向次之，，而對于[110]晶向裂紋擴展臨界應(yīng)力最��；裂紋擴展長度沿著[100]晶向最大，[123]、[112]與[110]晶向的裂紋擴展尺度相對較小，可近似為[100]晶向的三分之二。裂紋擴展臨界應(yīng)力與裂紋擴展尺寸的各向異性是由不同晶向間原子排列結(jié)構(gòu)以及滑移阻礙方式造成。 (3)采用自行編寫的分子動力學(xué)程序?qū)︽u合金的沖擊熔化行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，將多尺度模型置于分子動力學(xué)程序中求解，實現(xiàn)了在動高壓條件下對鎢合金的沖擊動力學(xué)行為問題的研究。通過模擬獲得了沖擊鎢合金熔化的臨界沖擊加載速度，壓強、溫度、體積的時程曲線，鎢合金熱力學(xué)參數(shù)的Hugoniot曲線，并經(jīng)過擬合獲得了沖擊波速度與粒子速度的關(guān)系式；利用分子動力學(xué)模擬得到參數(shù)與推導(dǎo)的公式結(jié)合獲得了冷能曲線的相應(yīng)參數(shù)，其與文獻(xiàn)理論計算結(jié)果的對比比較接近，而分子動力學(xué)模擬鎢合金沖擊與沖擊壓縮實驗及相關(guān)理論計算結(jié)果符合較為一致表明MSST理論模型與分子動力學(xué)相結(jié)合的方法在描述沖擊鎢合金熔化問題上具有一定的可靠性；同時計算了沖擊速度與沖擊晶向變化對沖擊熔化的影響，發(fā)現(xiàn)鎢合金隨著沖擊速度與沖擊晶向的不同，鎢合金熔化過程具有一定的差別。 (4)在上述鎢合金實驗與數(shù)值模擬研究基礎(chǔ)上，編寫了鎢合金彈丸超高速撞擊靶板的分子動力學(xué)程序。首先建立超高速彈丸撞擊靶板系統(tǒng)的三維模型，并計算和分析鎢合金彈丸在撞擊靶板過程的微觀演化和結(jié)構(gòu)破壞方式；其次研究了彈丸半徑、彈丸初始速度、靶板厚度、材料變化對碰撞后產(chǎn)生碎片云的影響；最后，將分子動力學(xué)模擬結(jié)果同高質(zhì)量實驗研究的結(jié)果進(jìn)行了比較，模擬的碎片云形狀和碎片云特征點的速度與實驗相吻合，證實了改進(jìn)的EAM勢對于超高速撞擊模擬問題是可行的，進(jìn)一步驗證了分子動力學(xué)方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O341
【目錄】：

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