冲击材料特性

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1、冲击载荷下材料的力学性能chongjizaihexiacailiaodelixuexingneng冲击载荷下材料的力学性能mechanicalpropertiesofmaterialsunderimpulsiveload在持续短暂时间的强载荷作用K,材料会发生变形和破坏，相应的组织结构和性能也会发生永久性的变化。冲击载荷下材料的变形行为，表现为变形同应力、应变率（应变随吋间的变化率）、温度、内能等变量之间的复杂关系，包括屈服应力（见屈服条件）和流动应力的应变率效应、温度效应及应变率的历史效应等等。描述这种关系

2、可用高压固体状态方程和各种木构方程（见本构关系）。在冲击载荷的作用下，材料有多种动态破坏形式，主要表现在以下几个方面：①局部大变形；②温度效应引起的绝热剪切破坏；③应力波相互作用造成的崩落破坏；④应变率效应引起的动态脆性。这几方面的力学性能都以各种时效、热与机械功的耦合以及冇限的体积变形和塑性畸变为特征，这些特征冇时是同时存在的，冇时则某一点更为突出。冲击载荷在材料中引起的微观组织的特殊变化（如动态相变等），有些是不可逆的，在载荷去掉Z后，对材料的力学性能仍然有明显的影响，这种现象称为冲击载荷的遗留效应。机械

3、碰撞和各种形式的爆炸载荷是最常见的冲击载荷。它们的强度一般至少都足以引起材料的塑性变形，而载荷持续的时I'可则从纳秒（如薄膜的撞击和辐射脉冲载荷）、毫秒至秒（如核爆炸或化V爆炸对结构物的载荷）的量级。通常根据受冲击载荷作用的材料的质点速度和特征强度（如屈服应力叭）将冲击载荷分为低速、中速、高速三种，受冲击载荷作用的材料特性也相应地分为三种：①低速冲击载荷刊约为1（）〜1（）（为材料的密度）。介质变形量不人，以时效现象为主，可用等温近似方法处理。②中速冲击载荷阳约为10〜10o介质发生冇限弹塑性变形，时效、热与

4、机械功的耦合都比较明显，体积可压缩性也需要考虑，相应地有各种描述变形过程的本构关系。③高速冲击载荷砂约为10〜10。与材料强度有关的诸效应退居次要地位，而以体积压缩变形和热的耦合为主要特征。介质变形可按照可压缩流体处理，其变形行为可用各种高压状态方程描述。高速冲击载荷卜-材料变形的描述材料在高速冲击载荷下的变形行为，通常用以内能、体积和压力为参量的高压固体状态方程描述。这种方程反映固体在大体积变形的情况下体积变形功和I古I体内能（物质结构势能和热振动能）之间的关系。米一格吕内森方程是最常用的高压固体状态方程:

5、（汀°」，式I"为压力¥为体积疋为内能M为格吕内森系数；[58a2]为“冷”压；％为“冷”内能，反映晶体点阵的势能。该方程适用于P<}0帕。在更高的压力下，不同物质的结构（如点阵）已不存在，物质成为某种统一的状态（如电子一核体系）。适用于这种悄况的状态方程有托马斯■费密方程（TF方程）和托马斯-费密-狄■克方程（TFD方程）等。在爆炸力学屮还常用许多经验性的高压固体状态方程，适用于和米一格吕内森方程相仿的压力区间，如蒂洛森方程：P=CL%+如+砂,_+1[58-01]心式中卩曲1=/；和分别为初始密度和密度洛

6、为比内能（单位质量物质的内能）；&为物质常数；么、b、A、3为实验参量（见表1[某些材料的实验参量]表1某些材料的实验参■钢铝铁5（克/厘米$）7.82.791.845尔格/克）•9;5X10»5.0X1O1017.5X1010a0.50.50.55bL・51.630.62戏（达因/厘米'户1.28X10u0.75X121.17X1011B（达因/厘米1.05X10u0.65X120.55X1011尔格=10"焦耳；1达因=10"牛顿。屮低速冲击载荷下材料变形的描述在中、低速冲击载荷作用下材料的变形行为主要涉

7、及应变率和温度效应，对变形行为的描述冇各种形式的本构方程。应变率和温度效应在小、低速冲击载荷作用下,材料不同程度地表现出各种吋效，主要是应变率效应。高应变率效应往往相当于低温效应。常用一个温度和应变率组合而成的参量（Z・H参量）£In（約）来表示温度卫和应变率对应力■应变关系、屈服应力和流动应力产生的综合效应（恳为材料常数）。分述如卞：①屈服应力的应变率效应和温度效应屈服应力随Z-H参量增大而降低。在高应变率条件下,会发现载荷虽已超过屈服应力，但屈服现彖并不立即出现，如冲击载荷下材料的力学性能碳钢的塑性变形可

8、滞后几十微秒才发纶，这称为屈服滞后。①流动应力的应变率效应和温度效应在应变率为10〜10秒的范围内，流动应力大致随应变率的对数呈线性变化。参X=量[59-01]-般随温度和应变的增大

9、佃增大。对于大多数金属A的范围约为1()〜10帕。如钮约为72x10帕，披为18x10帕,钛合金约为50x10帕。在-10秒处，多数金属材料的流动应力随应变率的提高而剧增。①应变率丿力史效应表示材料对过去应变率泌不会立