1、1毕业论文开题报告工程力学温度对高强高韧铝合金动态拉伸力学性能的影响研究一、选题的背景与意义近20年来，随着高强铝合金应用的扩大，特别是航天航空技术的发展，对其性能的要求也越来越高。尽管有各种新型的材料不断出现，但是高强高韧铝合金具有比强度高，加工性能好，价格低廉的突出性能优点，铝合金材料在航天航空领域有着重要的应用背景。铝合金的力学性能当前已有很多研究。2000年，陈鼎等1阐述了铝合金在低温下的力学性能随着温度的变化规律，分析其力学性能的变化规律的机理，同时对极低温下某些铝合金的锯齿现象，特征，形成机理以及力学性能的影响作出了说明。2002年，刘继华2对实效和回归处理对7075铝合金力学及腐
2、蚀性能的影响进行研究得到7075铝合金的强度，硬度和SCC敏感性与时效温度有着密切的关系。同一年，李红英3对高强高韧铝合金的组织性能进行了研究，提出了其断裂韧性和应力腐蚀的影响因素。2004年，曾渝等4对电磁铸造合金进行了硬度，拉伸性能测试，金相，扫描电镜，透射电镜观察，X射线衍射分析，研究热处理对其的显微组织和性能的影响。2007年，冯广5等人通过对2124铝合金的断裂韧性的三点弯曲法测试，并用扫描电子显微镜对其断口剖面的组织进行分析，得出了裂纹源主要是相、夹杂物以及疏松，而S相对材料的断裂韧性没有影响。2008年，李春梅6等采用拉伸试验研究不同固溶和时效工艺处理后7055铝合金的力学性能。
3、得到复合固溶（双级）和特殊时效处理新工艺比传统热处理工艺更合理，可使铝合金获得超高强、超高韧的有效结合，并确定了最佳工艺。在温度和应变率对铝合金性能影响方面，也有学者对其做了研究。2007年贾江滢等7通过拉伸试验研究了加速载荷在1MM/MIN,10MM/MIN,100MM/MIN以及200MM/MIN范围内6020铝合金材料的力学性质，得到随着加载速率的增加，无论是屈服强度还是抗拉强度都有一定的提高，塑性有了一定的下降。根据其试验结果确定了该铝合金的本构关系。2008年，NENGPINGJIN8等亦研究了7150铝合金在高温条件（300C450C）下受压热变形行为。WOEISHYANLEE等9
4、研究了不同应变率及不同温度对7075铝合金的变形行为和组织演变的影响，得到应力应变曲线与测试应变率和温度有着敏感的关系。同年，HEHU10研究了在不同温度（340,380,420,460OC）下7050铝合金的微观组织演变过程。王永刚，王礼立11等亦研究了冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相关性。2综上分析，人们对常温下的铝合金材料的动态冲击已经进行了许多研究，但对高温下铝合金材料的动态响应特性研究的较少。而随着科技的发展，高强高韧的铝合金材料在高温高应变率下的动态响应在民用，军事，航天航空领域中有着广泛的应用前景。所以当前对温度高应变率对高强高韧的铝合金材料的力学性能的
5、研究是很有意义的，也是十分有必要的。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、研究的主要内容11设计与分离式HOPKINSON系统配套的试样温控装置12高强高韧铝合金的拉伸力学行为实验A、准静态条件下高强高韧铝合金的拉伸力学行为，关注温度的影响。B、动载荷条件下高强高韧铝合金的拉伸动态力学行为，关注温度和应变率的影响。13在实验基础上，构建高强高韧铝合金的热粘塑性本构关系，并获得材料本构参数。14在实验基础上，采用ANSYSLSDYNA程序开展相关的数值模拟工作。拟解决问题A、如何改装优化SHPB系统，为其加上温控系统。B、如何通过实验结果所获得的数据，合理建立一个高强高韧铝合金的热粘塑性本构方
6、程。三、研究的方法与技术路线试样温控装置设计的技术路线对于高温，可以通过在常规SHPB系统的基础上增加加温系统、温控系统等，示意图如下对试件采用电加热,即设计了一个内置电炉。加热炉由保温材料和加热线圈组成,并适当设计导杆出入口大小及导杆位置,尽量减少电炉内外的热交换,使热量集中于电炉内部,完成对试件的加热。实验设计在MTS万能实验机上进行高强高韧铝合金在准静态加载和不同温度条件下（应变率约为103/S）的拉伸试验，来研究高强高韧铝合金在准静态下的拉伸力学行为，及其对温度的依赖性。3在分离式HOPKINSON系统中开展不同温度条件（100C500C）下以及不同应变率条件（102/S104/S）下
7、高强高韧铝合金动态拉伸试验，研究高强高韧铝合金的力学行为，揭示温度和应变率对其力学性能的影响规律。四、研究的总体安排与进度2010年11月2010年12月查阅文献、收集资料、翻译文献，提出可行性论证和初步实验方案，并加以论证，2011年02月2011年03月对实验的初步方案进一步讨论和完善，优化实验方案，并确定典型的模拟方案与实验结果。2011年03月2011年04月对本项研究进行全面总结，开始撰写论文。2011年04月2011年05月对论文的数据进行补充修改。2011年6月整理论文，准备答辩。参考文献1陈鼎，陈振华。铝合金在低温下的力学性能。宇宙材料工艺，2000年第4期，172刘继华，李荻
8、，刘培英，郭宝兰，朱国伟。时效和回归处理对7075铝合金及腐蚀性能的影响材料热处理学报2002年3月第一期，50543李红英，董显娟。高强高韧铝合金研究现状及展望。湖南有色金属，2002年第18卷第5期，33364曾渝，尹志民，朱志远，潘青林，崔健忠。热处理工艺对超高强铝合金组织与性能的影响矿冶工程，2004年6月第24卷第3期，67695冯广，毛大恒，湛利化，游江海，刘坚。2124铝合金超厚板断裂韧性的研究。材料研究与应用，2008年第2卷第1期6李春梅，陈志谦，程南璞，曾苏民，何洪。7055超高强、超高韧铝合金力学性能分析。金属热处理，2008年第33卷第1期，1001047贾江滢，徐家福
9、，富东泰，王忠保，侯振德。加速速率对6020铝合金材料力学性能影响的实验研究实验力学2008年2月第23卷第一期，77828NENGPINGJIN,HUIZHANG,YIHAN,WENXIANGWU,JIANGHUACHENHOTDEFORMATIONBEHAVIOROF7150ALUMINUMALLOYDURINGCOMPRESSIONATELEVATEDTEMPERATUREMATERIALSCHARACTERIZATION60200953053649WOEISHYANLEE,WUCHUNGSUE,CHIFENGLIN,CHINJYIWUTHESTRAINRATEANDTEMPERATUR
10、EDEPENDENCEOFTHEDYNAMICIMPACTPROPERTIESOF7975ALUMINUMALLOYJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY100200011612210HEHU,LZHEN,LYANG,WZSHAO,BYZHANGDEFORMATIONBEHAVIORANDMICROSTRUCTUREEVOLUTIONOF7050ALUMINUMALLOYDURINGHIGHTEMPERATUREDEFORMATIONMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA4882008647111王永刚，陈登平，贺洪亮，王礼立，经福
11、谦。冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相关性。物理学报，2006年第55卷第8期，420242075毕业论文文献综述工程力学温度对高强高韧铝合金的动态拉伸力学性能的影响研究1研究温度对高强高韧铝合金的动态拉伸力学性能的影响的意义高强度铝合金具有比强度高，加工性能好，价格低廉等突出优点，是航天航空领域的主要结构材料。现在航空航天业的不断发展，强求铝合金具有更高的强度，断裂韧性及应力腐蚀的性能。近年来材料工作者通过优化合金的成分设计，采用了新型的制坯方法，成形加工和热处理工艺，研制开发出了多种性能更好的超强度铝合金。而高强度的铝合金在动态拉伸作用下的动态响应在许多民用工程，航
12、天航空，军事领域也都有着重要的应用背景。人们对常温下金属材料的动态响应已进行了许多研究，但是对高温下甚至接近熔化温度下的金属材料的动态响应的研究较少。2温度对高强高韧铝合金的动态拉伸力学性能的影响的研究现状铝合金的力学性能当前已有很多研究。2000年，陈鼎等1阐述了铝合金在低温下的力学性能随着温度的变化规律，分析其力学性能的变化规律的机理，同时对极低温下某些铝合金的锯齿现象，特征，形成机理以及力学性能的影响作出了说明。2002年，刘继华2利用维氏硬度计和慢应变拉伸技术研究了7075铝合金以不同制度时效和回归处理后的强度和应力腐蚀断裂行为，得到7075铝合金的强度，硬度和SCC敏感性与时效温度有
13、着密切的关系。同一年，李红英3对高强高韧铝合金的发展和对组织性能进行全面的评述，提出其断裂韧性和应力腐蚀的影响因素。2004年，曾渝等4对电磁铸造铝合金进行了硬度，拉伸性能测试，金相，扫描电镜，透射电镜观察，X射线衍射分析，研究热处理对其的显微组织和性能的影响。2007年，冯广5等人通过对2124铝合金的断裂韧性的三点弯曲法测试，并用扫描电子显微镜对其断口剖面的组织进行分析，得出了裂6纹源主要是相、夹杂物以及疏松，而S相对材料的断裂韧性没有影响。2008年，李春梅6等用拉伸试验研究不同固溶和时效工艺处理后7055铝合金的力学性能，并结合显微组织分析，得到复合固溶（双级）特殊时效处理新工艺比传统
14、热处理工艺更合理，可使铝合金获得超高强、超高韧的有效结合，并确定了最佳工艺。以上的研究都是在常温准静态的条件下进行的的研究，而考虑温度和应变率对其的影响。对于温度和应变率对铝合金的力学性能的研究，也有不少的学者进行了研究。2007年贾江滢等7通过拉伸试验研究了加速载荷在1MM/MIN,10MM/MIN,100MM/MIN以及200MM/MIN范围内6020铝合金材料的力学性质，得到随着加载速率的增加，无论是屈服强度还是抗拉强度都有一定的提高，塑性有了一定的下降。根据其试验结果确定了该铝合金的本构关系。同一年，王金鹏8等在2007年利用SHPB系统对2014铝在不同温度下和不同应变率条件下的动态
15、力学行为开展了系列的实验研究，并建立了2024铝的塑性本构关系。2008年，NENGPINGJIN9等亦研究了7150铝合金在高温条件（300C450C）下受压热变形行为。WOEISHYANLEE等10研究了不同应变率及不同温度对7075铝合金的变形行为和组织演变的影响，得到应力应变曲线与测试应变率和温度有着敏感的关系。同年，HEHU11研究了在不同温度（340,380,420,460OC）下7050铝合金的微观组织演变过程。王永刚，王礼立12等亦研究了冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相关性。此外，还有学者对在低温对铝合金的力学性能的影响方面进行了研究，陈鼎与陈振华13
16、在2000年的时候研究了在低温和极低温下铝合金的力学性能和物理性能。并得到了如铝合金在低温条件下拉伸性能提高，韧性得到改善，疲劳强度随温度的降低而提高等十分具有价值的结论。刘瑛14等人利用拉伸测试、扫描电镜与投射电镜等手段研究了3种高强铝合金（2519T87、2219T81以及7039T6三种铝合金板材）得到当变形温度由室温293K降至77K是，伸力学性能，三种铝合金的屈服强度与抗拉强度均有所提高。同时还得到3种合金的伸长率随着温度降低有所提高。3温度对高强高韧铝合金的动态拉伸力学性能的影响的研究的发展趋势通过文献阅读和对国内外研究现状的分析和综合，我认为温度对高强高韧的7铝合金的动态拉伸力学
17、性能影响的研究发展趋势如下1随着现代航天航空工业的不断发展，会更加需要高比强度，断裂韧性，抗应力腐蚀能力和不同温度下动态拉伸性能优良的铝合金材料，所以，研究其温度对铝合金动态拉伸力学性能的研究是要很必要的。2近几年来，人们对常温下金属材料的动态响应进行了很多研究，对高温下金属材料研究较少。而金属材料在高温冲击波作用下的动态响应在民用，航空航天，军事领域有很多应用。故该项研究是很有实际意义的，值得更深一步的研究和开发的。参考文献1陈鼎，陈振华。铝合金在低温下的力学性能。宇宙材料工艺，2000年第4期，172刘继华，李荻，刘培英，郭宝兰，朱国伟。时效和回归处理对7075铝合金及腐蚀性能的影响材料热
18、处理学报2002年3月第一期，50543李红英，董显娟。高强高韧铝合金研究现状及展望。湖南有色金属，2002年第18卷第5期，33364曾渝，尹志民，朱志远，潘青林，崔健忠。热处理工艺对超高强铝合金组织与性能的影响矿冶工程，2004年6月第24卷第3期，67695冯广，毛大恒，湛利化，游江海，刘坚。2124铝合金超厚板断裂韧性的研究。材料研究与应用，2008年第2卷第1期6李春梅，陈志谦，程南璞，曾苏民，何洪。7055超高强、超高韧铝合金力学性能分析。金属热处理，2008年第33卷第1期，1001047贾江滢，徐家福，富东泰，王忠保，侯振德。加速速率对6020铝合金材料力学性能影响的实验研究实
19、验力学2008年2月第23卷第一期，778288王金鹏,曾攀,雷丽萍2024AL高温高应变率下动态塑性本构关系的实验研究塑性工程学报，2008年第15卷第3期，1011059NENGPINGJIN,HUIZHANG,YIHAN,WENXIANGWU,JIANGHUACHENHOTDEFORMATIONBEHAVIOROF7150ALUMINUMALLOYDURINGCOMPRESSIONATELEVATEDTEMPERATUREMATERIALSCHARACTERIZATION60200953053610WOEISHYANLEE,WUCHUNGSUE,CHIFENGLIN,CHINJYIWUT
20、HESTRAINRATEANDTEMPERATUREDEPENDENCEOFTHEDYNAMICIMPACTPROPERTIESOF7975ALUMINUMALLOYJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY1002000116122811HEHU,LZHEN,LYANG,WZSHAO,BYZHANGDEFORMATIONBEHAVIORANDMICROSTRUCTUREEVOLUTIONOF7050ALUMINUMALLOYDURINGHIGHTEMPERATUREDEFORMATIONMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA48820
21、08647112王永刚，陈登平，贺洪亮，王礼立，经福谦。冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相关性。物理学报，2006年第55卷第8期，4202420713陈鼎，陈振华。铝合金在低温下的力学性能。宇宙材料工艺，2000年第4期，1714刘瑛,张新明,李慧中,刘波,高慧,李惠杰。3种高强铝合金的低温拉伸力学性能研究。金属热处理，2007年第32卷第一期，53569本科毕业论文（20届）温度对高强高韧铝合金动态拉伸力学性能的影响研究10摘要摘要本文以2024、7075高强高韧铝合金为研究对象，对高强高韧铝合金进行了常温和高温下的动态静态拉伸实验，并结合数值模拟计算，研究高温度对
22、高强高韧铝合金的力学性能的影响。1使用SHTB实验装置和MTS万能试验机对2024、7075铝合金试样分别进行不同应变率和不同温度下的拉伸试验，获得了两种铝合金材料的应力应变曲线，讨论了应变率和温度对其力学性能的影响。实验结果表明拉伸载荷下，两种铝合金的力学性能具有一定的应变率效应，随着应变率增加，流动应力增加；温度对两种铝合金的力学性能影响明显，随着温度升高，流动应力降低，较早的进入塑性阶段，然后出现颈缩，断裂现象。2基于实验结果，拟合2024、7075铝合金JOHNSONCOOK本构模型的相关参数，得到的拟合曲线与实验曲线吻合较好，并且发现随着温度升高,较早进入塑性阶段,屈服强度有所下降3
23、采用实验获得两种高强高韧铝合金的JOHNSONCOOK本构模型参数，利用ABAQUS有限元计算软件开展相关的数值模拟工作，然后将得到的数值模拟结果和实验结果进行对比研究。关键词高强高韧铝合金；温度；数值模拟；本构关系11ABSTRACTABSTRACTINTHISPAPER,THEDYNAMICTENSIONTESTSEXPERIMENTSUNDERNORMALTEMPERATUREANDHIGHTEMPERATUREWEREPERFORMEDONTHE2024,，7075HIGHSTRENGTHANDHIGHDUCTILITYALUMINUMALLOYBYUSINGTENSIONTESTAN
24、DNUMERICALSIMULATION,THEDYNAMICMECHANICALPROPERTIESOFHIGHSTRENGTHANDHIGHDUCTILITYALUMINUMALLOYWERESTUDIED1THETENSIONTESTSOFTHE20247075ALLOYUNDERNORMALTEMPERATUREANDHIGHTEMPERATUREWERECARRIEDOUTBYUSINGEXPERIMENTALAPPARATUSOFSHTBANDMTSUNIVERSALTESTINGMACHINETHERESULTSSHOWTHATTHERESULTSSHOWTHATDYNAMICT
25、ENSILEMECHANICALPROPERTIESOFALLOYUNDERTHEHIGHTEMPERATUREWASPOORCOMPAREDWITHUNDERNORMALTEMPERATURE,ANDITTURNINTOPLASTICSTAGE,THENTHENECKING,CRACKINGPHENOMENAAPPEAR2BASEDONTHEEXPERIMENTALRESULTS,THERELEVANTPARAMETERSOFCONSTITUTIVEMODELWEREOBTAINEDTHEFITTEDCURVESAGREEWITHTHEEXPERIMENTALONESVERYWELLITIS
26、FOUNDTHATTHEALLOYUNDERTHEHIGHTEMPERATUREWILLTURNINTOPLASTICSTAGEEARLYANDTHEINITIALYIELDSTRESSDECREASES3THISPAPERINTENDSONTHEBASISOFSOMEEXPERTSSTUDYTOCOLLECTRELATEDEXPERIMENTALDATA,THENUSEABAQUSFINITEELEMENTCALCULATIONPROCEDURETOCARRYOUTTHENUMERICALSIMULATIONTAKINGTHENUMERICALSIMULATIONRESULTSTOCOMPA
27、REWITHTHEEXPERIMENTALRESULTS,THISISHELPFULFORFURTHERANALYSISOFTHEEXPERIMENTALRESULTSKEYWORDSHIGHSTRENGTHANDHIGHDUCTILITYALUMINUMALLOYTEMPERATURETHENUMERICALSIMULATIONTHERELEVANTPARAMETERSOFCONSTITUTIVEMODEL12目录摘要10ABSTRACT11目录121绪论1411研究的背景及意义1412研究的概况和现状1413研究的基本内容与拟解决的主要问题15131研究的主要内容15132构建高强高韧铝合
28、金的塑性本构关系，并获得材料本构参数。16133在实验基础上，采用ABAQUS程序开展相关的数值模拟工作。162实验材料选择与设备原理1721实验材料的选取1722SHTB和MTS实验装置简介17221SHTB实验装置18222MTS万能试验机1923研究的方法与技术路线2024一维应力下的拉伸实验21241准静态拉伸21242动态拉伸实验233实验结果及分析2631实验现象及分析2632实验结果及分析293217075铝合金在不同温度和应变率下的材料性能293222024铝合金在不同温度和应变率下的材料性能3033本构关系32331本构关系介绍32332JOHNSONCOOKJC模型简介33
29、333JOHNSONCOOKJC模型拟合方法3413334JOHNSONCOOKJC模型拟合结果344数值模拟3641引言3642问题背景3643问题分析3644问题求解3745问题回顾与总结505结论546展望55参考文献56致谢错误未定义书签。141绪论11研究的背景及意义高强度铝合金具有强度高，密度低，加工性能好，价格低廉等突出优点，是军事民用领域的主要结构材料。随着航空航天业的不断发展，强求铝合金具有更高的比强度，断裂韧性及抗应力腐蚀的材料性能。近年来材料专家通过设计优化合金的成分，采用了新型的制坯方法，成形加工和热处理工艺，研发了多种性能更好的超强度铝合金。高强度的铝合金力学响应在许
30、多军事领域，航空航天，民用工程也都有着重要的应用背景。例如，在航天航空器中，高强高韧铝合金作为主要的承重结构材料，除了要承受高静载荷和高疲劳载荷，还常处于一些特殊工况下（例如空间碎片高速撞击航天器、鸟撞飞机等）和恶劣环境下（例如航天器返回时，在稠密大气层中飞行会产生高温等）。在这些特殊工况和极端温度环境下，材料不仅承受强动载荷下的高应变率，同时还会伴随着有高温的作用，因此，认识和掌握典型的高强高韧铝合金材料的力学行为，特别是在温度、高应变率及其耦合作用下的力学响应是十分必要的。12研究的概况和现状研究材料的动态拉伸破坏的实验很多，如常温下平面静态拉伸破坏、单轴动态拉伸破坏、高温疲劳破坏、高温拉
31、伸破坏。其中常温下的拉伸破坏的实验易于实现、操作简单，理论研究分析也较为成熟和它在载荷作用下失效过程中所包含的丰富的内容等众多优点，使它成为人们研究金属材料拉伸力学性能的主要对象。2000年，陈鼎等1阐述了在低温下，铝合金的力学性能随着温度的变化规律，分析其力学性能的变化规律的机理，同时对极低温下某些铝合金的锯齿现象，特征，形成机理以及力学性能的影响作出了说明。02年，刘继华2利用慢应变拉伸技术和维氏硬度计研究了7075铝合金以不同制度时效、回归处理后的强度和应力腐蚀断裂行为，得到7075铝合金的强度，硬度与时效温度有着密切的关系。同一年，李红英3对高强高韧铝合金的发展和对组织性能进行全面的1
32、5评述，提出了断裂韧性和应力腐蚀的影响因素。2008年，李春梅4等用拉伸试验来研究不同固溶和时效工艺处理后7055铝合金的力学性能，并结合显微组织分析，得到复合固溶（双级）和特殊时效处理新工艺比传统热处理工艺更合理，可使铝合金获得超高强、超高韧的有效结合，并确定了最佳工艺方案。以上的研究都是在常温条件下进行的的研究，没考虑应变率与温度对其的影响。对于温度和应变率对铝合金的力学性能的研究，也有不少的学者进行了研究。贾江滢等5通过拉伸试验研究了加速载荷在1MM/MIN,10MM/MIN,100MM/MIN以及200MM/MIN范围内6020铝合金材料的力学性质，得到随着加载速率的增加，无论是屈服强
33、度还是抗拉强度都有一定的提高，材料的塑性有了一定的下降。根据其试验结果确定了实验铝合金的本构关系。同年，王金鹏6等利用SHTB系统对2024铝在不同温度下和不同应变率条件下的动态力学行为开展了一系列的实验研究，并建立了2024铝的塑性本构关系。在2008年，WOEISHYANLEE等7研究了不同应变率及不同温度对7075铝合金的变形行为和组织演变的影响，得到材料应力应变曲线与测试应变率和温度有着敏感的关系。同年，HEHU8研究了在不同温度（340,380,420,460OC）下7050铝合金的微观组织演变过程。王永刚，王礼立9等亦研究了冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相
34、关性。此外，还有学者对在低温对铝合金的力学性能的影响方面进行了研究，陈鼎与陈振华10在2000年的时候研究了在低温和极低温下铝合金的物理性能和力学性能，并得到了如铝合金在低温条件下提高拉伸性能，改善韧性性能结论，疲劳强度随温度的降低而提高等十分具有价值的结论。刘瑛11等人利用拉伸测试、扫描电镜与投射电镜等手段研究了3种高强铝合金（2519T87、2219T81以及7039T6三种铝合金板材）得到当变形温度由室温293K降至77K是，伸力学性能，三种铝合金的屈服强度与抗拉强度均有所提高。同时还得到3种合金的伸长率随着温度降低有所提高。13研究的基本内容与拟解决的主要问题131研究的主要内容本文采
35、用的是高强高韧的2024、7075铝合金试样来进行高强高韧铝合金的拉伸力学行为实验。实验内容组要有两部分16A、采用MTS万能试验机在准静态条件下研究高强高韧铝合金的拉伸力学行为，关注温度的影响。B、采用SHTB装置在动载荷条件下研究高强高韧铝合金的拉伸动态力学行为，关注温度和应变率的影响。132构建高强高韧铝合金的塑性本构关系，并获得材料本构参数。133在实验基础上，采用ABAQUS程序开展相关的数值模拟工作。172实验材料选择与设备原理21实验材料的选取本文主要的工作是研究温度对铝合金的拉伸动态性能的影响，我们选取的是具有较高强度、较高韧性的金属材料7075、2024铝合金。其中，7075
36、铝合金是一种冷处理锻压合金，强度高，商业用途广泛的合金。应用于航天航空领域、塑焊模具、模具加工。其主要成分为成分硅SI铁FE铜CU锰MN镁MG铬CR锌ZN钛TI含量（）020403805122028032129018028516101202余下为铝AL力学性能抗拉强度560MPA伸长应力495MPA弹性模量71GPA特点有1高强度可热处理合金，2机械性能良好，3良好的可使用性，4易于加工，耐磨性好，5抗腐蚀性能、抗氧化性好。2024铝合金为一种高强度硬铝。主要用途有用于制作各种高负荷的零件和构件如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等工作零件。主要成分为成分硅SI铁FE铜CU锰MN镁
37、MG铬CR锌ZN钛TI含量（）020403805122028032129018028516101202余下为铝AL力学性能抗拉强度390MPA条件屈服强度245MPA特点有可进行热处理强化，在淬火和刚淬火状态下塑性中等，具有良好的焊接功能。合金在淬火和冷作硬化后具有较好切削性能，但抗腐蚀性不高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。22SHTB和MTS实验装置简介18221SHTB实验装置金属材料的动态拉伸力学性能的研究越来越受到人们的重视。为了这方面的研究，人们为测量材料动态力学拉伸性能，相继提出了一些专门的加载装置。SHTB因实验结果简单，价格低廉等优点得到的广泛的
38、运用。SHTB采用高速套筒（子弹）撞击入靶（射杆的突出边沿），在入射杆内形成拉伸应力波（入射波）。试样在入射杆和透射杆之间，一般采用的螺纹或强力胶固定，在前方合理的位置放置吸收杆,吸收块。在子弹撞击入射杆后，在入射杆上形成应力波。当波传给试样后，一部分不发射回来形成反射波。而另一部分波继续向前传播，在透射杆上形成了透射波。实验装置如图21所示。图21为SHTB实验装置其中入射杆、透射杆、吸收杆直径均为19MM，长度分别为15M、15M、1M。该实验采用的是半导体应变片，普通应变片，用类似SHPB实验相类似的实验数据处理方法，来得到动态材料的拉伸性能。拉伸时间的工程应力，工程应变和应变率为STA
39、0/ASETSTT02C0/LSTDTDT2C0/LST式中，E和A0分别为杆的杨氏模量和横截面的面积；C0为杆中弹性波速度；LS和AS分别为试样的厚度和横截面积19222MTS万能试验机MTS万能试验机是一种进行动态和静态的微力测试仪器。可以对金属材料、生物材料、部件以及成品进行各种测试。主要功能能对金属、非金属材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等疲劳试验、断裂试验项目，检测设备还可存储、输出打印试验参数、试验数据、试验结果、应力应变曲线的功能。其特点有功能多样只需安装在标准实验台上便能完成各种静态、动态试验。灵活性按照实验者的需要来选择控制载荷力。精确性激光校准提高了轴向对中精度,减少试件在横
40、梁最高位置处的弯曲高效性可选择式单元安装部件控制模块的速度横梁定位及试件的安装。模块化设计根据实验者的需求做动缸、伺服阀和分油器配置系统，还有横梁升降，横梁液压锁紧部分，及其它附件。图22MTS万能试验机2023研究的方法与技术路线试样温控装置对于高温，可以通过在常规SHTB系统的基础上增加加温系统、温控系统等，示意图如图23图23对试件采用电加热,即设计了一个内置电炉。加热炉由保温材料和加热线圈组成,并适当设计导杆出入口大小及导杆位置,尽量减少电炉内外的热交换,使热量集中于电炉内部,完成对试件的加热。图24SHTB中的加热装置（从左往右依次为变压器，温控装置，加热装置）21实验设计在MTS万
41、能实验机上进行高强高韧铝合金在准静态加载和不同温度条件下（应变率约为103/S）的拉伸试验，来研究高强高韧铝合金在准静态下的拉伸力学行为，及其对温度的依赖性。在分离式HOPKINSON系统中开展不同温度条件下以及不同应变率条件下高强高韧铝合金动态拉伸试验，研究高强高韧铝合金的力学行为，揭示温度和应变率对其力学性能的影响规律。24一维应力下的拉伸实验近年来也有专家、学者对高强高韧铝合金的力学性能进行研究,但这些研究主要集中在对常温下的准静态实验或动态压缩试验的结果分析,而其在高温、动态拉伸条件下材料力学性能的研究并不多见。241准静态拉伸利用MTS试验机对高强高韧的铝合金样品在准静态（103至1
42、02S1）不同温度下进行拉伸试验，实验采用的是2024、7075高强度铝合金，其试件设计成亚铃型，具体尺寸如图表25A和25B所示。对2024、7075铝合金进行了多次拉伸实验，对重复性较好的实验数据取平均值。实验序号直径D（MM）标距H（MM）707521496257075224922570752349825707524（200OC）48925707525（150OC）48425707526（100OC）4922522图25A7075铝合金MTS万能试验机静态拉伸试样及数据实验序号直径D（MM）标距H（MM）202421510252024225042520242351025202424无数据
43、506825202425（200OC）508425202426（150OC）499225202427（100OC）51162523图25B2024铝合金MTS万能试验机静态拉伸试样及数据242动态拉伸实验动态拉伸实验在SHTB实验机上进行的，该次实验试样采用的是2024、7075铝合金，其试样设计成两端带有螺纹的圆柱形，具体尺寸如图表26A和26B所示。实验序号直径D（MM）标距H（MM）7075213306470752232064707523323647075243206470752532564707526（250OC）3226424图26A7075铝合金SHTB动态拉伸试样尺寸数据实验序号
44、直径D（MM）标距H（MM）20242139952202422无数据40352202423无数据40649620242440055220242539758020242640453202427无数据4015625图26B2024铝合金SHTB动态拉伸试样尺寸数据在常温下，对2024、7075两种铝合金试样分别进行动态拉伸实验，每种情况的实验重复3次，对重复性较好的2次取均值。在不同温度下，对7075高强进行拉伸实验。每种情况的实验重复3次，对重复性较好的2次取均值。263实验结果及分析31实验现象及分析2024和7075铝合金在准静态和不同应变率下的变形情况有所不同。从图31和图32中可以看出，
45、动态与准静态条件下试件断裂的位置一般发生在试件的中部，如果出现断裂位置靠近一端的试件，可能是由于试件加工的问题。图317075铝合金断裂图（上为动态实验试样，下为静态实验试样）27图322024铝合金断裂图（上为动态实验试样，下为静态实验试样）观察7075铝合金试样的三维断口形貌（图33）。从中可以发现在准静态拉升破坏中，其破坏形式主要为剪切破坏。在高硬变率下的破坏，以拉伸，剪切破坏为主。28图33高应变率下和准静态下7075铝合金试样断口的三维图观察不同温度下7075铝合金试样断口形状三维图（图34）可以得到铝合金高温的断裂破坏与常温下的断裂破坏形式相比较，高温下铝合金试验破坏形式中拉伸破坏
46、更加明显。图347075铝合金在高应变率不同温度下（左为200OC，右为常温）断口图2932实验结果及分析3217075铝合金在不同温度和应变率下的材料性能图35所示7075高强度铝合金在相同应变率下、不同温度的动态拉伸的应力应变曲线。从图中可以得到，高强度铝合金试样的应力应变曲线规律应变率相同，试样接近常温时，屈服强度较大，杨氏模量较高。00000025005000750100012501500200400600800STRESS/MPASTRIAN298K473K523K图357075铝合金在常温,200OC和250OC下的应力应变比较曲线图在相同温度下，有动态拉伸和静态拉伸的应力曲线图比
47、较（图36），从中可以得到动态下试样的曲线总体上比静态下的要陡，这说明试样在动态条件下的应变硬化效果要比静态下的明显。而高应变率的情况下,屈服强度与准静态的下的屈服强度有所增加300000010020030040050060070080200400600800STRESS/MPASTRAIN3200/S0001/S图367075铝合金在相同温度下动态拉伸与准静态拉伸下应力应变曲线相比较图3222024铝合金在不同温度和应变率下的材料性能以上均为7075铝合金在不同温度，不同应变率下材料的力学性能。2024铝合金与7075铝合金相比较，除在屈服强度上有所下降之外，其余性能与7075铝合金的材料力
48、学性能相同。以下给出2024铝合金在不同温度，不同应变率下的材料特性对比图（图37和图38）。310000050100150100200300400500600700STRESS/MPASTRAIN423K473K图37在相同应变率下，不同温度下的2024铝合金的应力应变曲线0000050100150200100200300400500600700STRESS/MPASTRAIN3500/S2500/S0001/S图38在相同温度，不同应变率下的2024铝合金的应力应变曲线图3233本构关系331本构关系介绍材料在高应变率下变形的拉伸力学性能与静态作用下的力学响应有所不同。冲击载荷在时间历程上
49、有显著的变化，所以在承受冲击载荷作用下，材料的变形就会在高应变率下发生。研究结果表明，高应变率加载下材料的力学性能与材料性质及温度有一定的关系。大多数金属与合金材料的应力会随着应变率增加而提高，表现出应变率强化效应1113。对于材料力学性能的研究，重点就是建立能够描述材料在材料变形情况下的力学性能本构关系，及其相对的应变率相关性。本构关系是指能够描述材料力学性质的数学关系。自然界中材料种类很多,它们的材料力学性质也是各不相同的。其本构关系可以描述它们的力学性质。在工程力学中，应力应变关系是研究本构关系的重点，这是因为它反映了材料的具体特征。影响材料本构关系的因素复杂，如材料的力学、温度物理性质等，通常采用某些宏观参量和微观参量来描述这种关系，常用的宏观参量有粘性系数和杨氏模量，微观参量有位错密度、位错运动速度等等。众所周知，材料在动载荷（高应变率）下的力学性能是很复杂的，本构方程的数学表达式在材料的不同的变形阶段，表现不同。因此，到现在为止，还没有一个统一有效的本构关系来作为研究动载荷（高应变率）作用下材料力学性能的有效手段，仅仅能在某些特定条件下确定其本构模型。为了确定材料的本构关系，一般需要做大量的实验来确定，再结合先前提出的数学表达式和力学模型来完成本构关系的建立。在这方面，很多学者专家做了很多工作，也提出了不少本
