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)失效領域最新成果
發(fā)布日期：2019-01-11 供稿：先進結(jié)構技術研究院
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、北京理工大學（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實驗技術領域的優(yōu)勢，經(jīng)過近兩年（2017-2018）的合作研究，率先設計建立了基于分離式霍普金森壓桿的同步高速紅外測溫/高速光學非接觸變形測量平臺，為本文的研究奠定了堅實基礎。據(jù)悉，該團隊正在自主研制有望達到國際領先水平的超高時空分辨面陣式紅外測溫科學儀器。
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變/應變率硬化之間的競爭導致的。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，目前大部分學者認為溫度上升是導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，在試樣標距段區(qū)域的一側(cè)表面刻畫柵線標記試樣的變形，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)包括一個紅外光學系統(tǒng)和8通道高速紅外探測器。探測器響應波段為1～5.5μm，響應時間小于1μs，單個探元尺寸為0.15mm×0.15mm，探元間距為0.05mm。
圖2 壓剪試樣的應力和溫度隨時間演化歷史
圖2給出試樣的應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)觀點認為當應力達到最大值時，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)生時刻的相對關系。絕熱剪切帶的萌生時刻出現(xiàn)在最大應力時刻點之后。實驗結(jié)果意味著基于熱-塑性失穩(wěn)的臨界準則預測的臨界剪切應變可能會偏小。絕熱剪切帶萌生時刻的溫度大約50-90?C，導致的應力下降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，由于應變率硬化使得材料的應力增大了50-60MPa。因此，熱軟化效應不足以促使應力的陡降或絕熱剪切帶的萌生。當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致了溫度的上升。傳統(tǒng)的絕熱剪切帶熱軟化機理應該需要被重新認識。
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、吳習徽碩士生和北卡羅來納大學夏洛特分校魏秋明教授。此外，特別感謝以色列理工學院D.Rittel教授的討論和幫助。
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