PRL報道北理工方岱寧、陳浩森團隊聯(lián)合西工大李玉龍、郭亞洲團隊在材料動態(tài)失效領(lǐng)域最新成果
發(fā)布日期：2019-01-11 供稿：先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院
編輯：吳楠 審核：楊亞政 閱讀次數(shù)：
2019年1月11日，物理學(xué)頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線報道了西北工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)（共同完成單位）聯(lián)合研究成果。在方岱寧院士、李玉龍教授的指導(dǎo)下，郭亞洲副教授（第一作者）、陳浩森副教授（共同通訊作者）、朱盛鑫博士和阮啟超碩士等開展了絕熱剪切帶的產(chǎn)生和溫度之間的因果關(guān)系研究 （Temperature Rise Associated with Adiabatic Shear Band: Causality Clarified），這篇文章主編被選為“Editor’s Suggestion” 。
該工作所采用的我國首臺線陣式高速紅外測溫儀器，由北理工陳浩森、方岱寧課題組經(jīng)過近三年（2014-2016）的刻苦攻關(guān)自主研制；結(jié)合西工大郭亞洲、李玉龍課題組在沖擊動力學(xué)實驗技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，經(jīng)過近兩年（2017-2018）的合作研究，率先設(shè)計建立了基于分離式霍普金森壓桿的同步高速紅外測溫/高速光學(xué)非接觸變形測量平臺，為本文的研究奠定了堅實基礎(chǔ)。據(jù)悉，該團隊正在自主研制有望達到國際領(lǐng)先水平的超高時空分辨面陣式紅外測溫科學(xué)儀器。
圖1 自主研制的我國首臺線陣式高速紅外測溫儀
在沖擊載荷下，絕熱剪切帶被認為是材料失效的重要機理之一。自從Zener和Hollomon提出絕熱剪切局部過程是一種熱-塑性失穩(wěn)后，許多研究者認為絕熱剪切帶是由于材料熱軟化與應(yīng)變/應(yīng)變率硬化之間的競爭導(dǎo)致的。此外，剪切帶內(nèi)的材料再結(jié)晶表明絕熱剪切帶形成伴隨著溫度上升。因此，目前大部分學(xué)者認為溫度上升是導(dǎo)致絕熱剪切帶形成的主要因素。然而，這一普遍接受的認識還未得到實驗驗證，主要由于兩方面難題亟待解決：一是絕熱剪切對測溫儀器提出“兩高一寬”的要求，即高時間分辨（微秒級）、高空間分辨（十微米級）、寬測溫區(qū)間（近千度）；另一方面，需要搭建微秒級同步紅外測溫和光學(xué)測變形的實驗平臺，才能揭示絕熱剪切帶形成和溫度升高兩者之間的因果關(guān)系。
本文通過基于分離式霍普金森壓桿的同步高速紅外測溫/高速光學(xué)非接觸變形場測量實驗平臺，研究了絕熱剪切局部化過程中載荷、變形和溫度之間的時間關(guān)系。絕熱剪切局部化過程可以通過對比獲得的載荷變化、變形過程和溫度變化等重要信息進行描述。該團隊采用壓剪試樣（Shear-compression specimen），材料為工業(yè)二級純鈦，在試樣標(biāo)距段區(qū)域的一側(cè)表面刻畫柵線標(biāo)記試樣的變形，并通過最高5百萬幀頻的高速相機記錄試樣的變形過程。高速紅外測溫系統(tǒng)包括一個紅外光學(xué)系統(tǒng)和8通道高速紅外探測器。探測器響應(yīng)波段為1～5.5μm，響應(yīng)時間小于1μs，單個探元尺寸為0.15mm×0.15mm，探元間距為0.05mm。
圖2 壓剪試樣的應(yīng)力和溫度隨時間演化歷史
圖2給出試樣的應(yīng)力和溫度隨時間演化歷史。試樣的變形可以分為三個階段: (1) 均勻變形，(2) 非均勻變形，(3) 剪切局部化。圖3給出三個階段的變形特征。柵線的不連續(xù)表明了剪切變形局部化過程。同時可以看出，在試樣達到最大應(yīng)力時，試樣表面的柵線沒有出現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，意味著沒有絕熱剪切帶的出現(xiàn)。而傳統(tǒng)觀點認為當(dāng)應(yīng)力達到最大值時，試樣內(nèi)出現(xiàn)絕熱剪切帶。實驗結(jié)果與現(xiàn)有假設(shè)矛盾。
圖3 典型的剪壓試樣的變形過程
圖4給出了絕熱剪切局部化過程中典型事件發(fā)生時刻的相對關(guān)系。絕熱剪切帶的萌生時刻出現(xiàn)在最大應(yīng)力時刻點之后。實驗結(jié)果意味著基于熱-塑性失穩(wěn)的臨界準則預(yù)測的臨界剪切應(yīng)變可能會偏小。絕熱剪切帶萌生時刻的溫度大約50-90?C，導(dǎo)致的應(yīng)力下降30-54MPa。同時，變形區(qū)域的溫度分布表明材料沒有出現(xiàn)局部化的熱軟化。此外，由于應(yīng)變率硬化使得材料的應(yīng)力增大了50-60MPa。因此，熱軟化效應(yīng)不足以促使應(yīng)力的陡降或絕熱剪切帶的萌生。當(dāng)絕熱剪切帶萌生后的30μs，溫度達到最大值。溫度的快速上升可以認為是絕熱剪切帶形成和傳播導(dǎo)致的。同時，通過分析高速相機獲得變形過程，可以知道絕熱剪切帶完全傳播到整個試樣的時間小于10μs。因此，更大局部變形促進絕熱剪切帶的發(fā)展，更帶來了局部更高的溫度。如將絕熱剪切局部化過程中的典型事件按照時間先后排序：應(yīng)力峰值-絕熱剪切帶萌生-絕熱剪切帶傳播/溫度上升-最大溫度/宏觀裂紋。絕熱剪切帶萌生后的溫度上升意味著溫升不是觸發(fā)絕熱剪切帶形成的原因，而是絕熱剪切局部化導(dǎo)致了溫度的上升。傳統(tǒng)的絕熱剪切帶熱軟化機理應(yīng)該需要被重新認識。
圖4 動態(tài)剪切失效過程中的典型事件發(fā)生時刻
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.015503
作者簡介：
西工大郭亞洲副教授為本文第一作者，北理工陳浩森副教授、西工大李玉龍教授、北理工方岱寧院士為本文共同通訊作者。西工大阮啟超碩士和北理工朱盛鑫博士參與實驗工作。參與該工作的還有西工大陸佳南碩士生、胡博博士生、吳習(xí)徽碩士生和北卡羅來納大學(xué)夏洛特分校魏秋明教授。此外，特別感謝以色列理工學(xué)院D.Rittel教授的討論和幫助。
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