绝热剪切的研究现状及其发展趋势

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1、绝热剪切的研究现状及其发展趋势摘要：对绝热剪切的研究现状进行了描述。从材料本构失稳形成绝热剪切带的研究，绝热剪切带内的组织结构特征及其演化机制的研究，以及数值模拟技术在材料绝热剪切研究中的进展等三个方面进行了总结，并指出了现在研究中存在的某些问题，最后对绝热剪切的发展趋势提出了自己的观点。关键词：绝热剪切本构失稳数值模拟1、引言绝热剪切(AdiabaticShearingBand，ASB)现象普遍存在于包括金属、金属玻璃与工程塑料等材料的侵彻穿靶、爆炸破片、高速冲压与成型、切削加工等动态变形过程中。

2、所谓“绝热”，其实是一个近似的说法，由于材料的高速变形，应变速率达到了，在爆炸焊接过程中应变速率甚至达到了，因此整个变形过程的时间是很短的，在如此短的时间内，绝大部分（90%左右）的塑性功转化为热量并且来不及散失，所以近似认为在这样高应变速率下的变形过程为绝热过程。绝热剪切带是一种独特的局部失稳现象，与材料失效有密切关系，材料中出现绝热剪切带就意味着材料承载能力下降或丧失，被认为是材料失效的前兆。所以，绝热剪切成为了高速变形过程中主要的失效形式之一。绝热剪切现象有时是有害的。例如钛和钛合金是一种强度

3、与密度比很高的材料，这对很多应用领域尤其是宇宙航行方面很具吸引力，但它对绝热剪切很敏感。因此，在其使用中应尽量避免出现绝热剪切现象。在高能成型加工中，为防止工件损坏，也不希望出现绝热剪切。在某些场合，人们也需要利用绝热剪切现象，如制造动能穿甲弹的材料，就要求有强的剪切失稳和变形局部化敏感性，从而在穿甲、侵彻过程中出现“自锐”现象。再如用冲床加工钢件，在冲塞速度低时所需的能量随冲塞速度线性增加，但冲塞速度达到某一临界值以后，耗能反而因绝热剪切的发生而减小，因此，利用高能加工设备即提高效率又可节能。正是

4、由于绝热剪切的理论和工程实际意义，欧美发达国家对此现象开展了长期地研究，如美国军事研究办公室(theArmyResearchOffice，ARO)为绝热剪切研究提供了大量基金资助并做了大量的研究。我国的中国科学院力学研究所和金属研究所、中国科技大学、兵器工业部五二研究所、中南大学、北京钢铁研究院、北京理工大学等科研单位也对绝热剪切进行了大量的研究，并得到了国家自然科学基金等的大力支持。自绝热剪切现象发现以来，国内外专家学者已经对绝热剪切变形局部化做了大量研究。总结起来，对绝热剪切的研究主要集中在以下

5、三个方面：第一，从材料的本构关系出发，建立绝热剪切变形局部化的失稳模型，探寻材料绝热剪切失稳判据及ASB的扩展规律；第二，从微观组织、结构出发探寻不同成分、组织材料内的ASB中的微观组织结构特征以及影响ASB形核、长大的微观因素；第三，采用计算机数值模拟技术来对ASB的演化规律及ASB内的应力场、应变场和温度场进行研究，揭示ASB的扩展速度、温度变化等实验方法无法获得的又十分重要的规律。2、研究现状2.1材料本构失稳形成ASB的研究2.1.1材料热粘塑性本构关系的研究材料的本构关系就是指在一定的微观

6、组织下，材料的流变应力对由温度、应变、应变速率等热力学参数所构成的热力学状态所作出的响应。这种规律实质上是因材料而异的，如果我们用数学方程来表示这种规律，那么不同的材料其方程也不相同。因此，这种关系实质上反映了材料的本质，所以叫做本构关系。然而，事实上一种材料并非就对应一种本构关系，也就是说，本构关系除了与材料本身性质有关外，还与变形条件有关。根据其变形条件的不同，可以分为弹-塑性、刚-塑性、弹-粘塑性和刚-粘塑性等4种本构关系。金属材料在高应变速率下的变形可视作绝热过程，局部变形伴有高的局部温升，

7、如果温升引起强度下降大于应变硬化引起的强度增加，材料就会发生热塑失稳，这一点已得到了广泛的认同。并且，在高应变速率下材料的流变应力对应变率敏感，材料变形呈现粘塑性特征，因而在高应变率下要采用材料的弹（刚）粘塑性本构方程。由于在高应变速率下的变形会伴有明显的绝热温升，因而不同于一般的等温变形，所以我们把粘塑性本构关系也称为热-粘塑性本构关系。现在大量的文献发表了各种不同形式的材料热粘塑性本构模型。Jolnson和Cook于1983年发表了他们的惟象本构关系（Jolnson—Cook本构关系），该本构关

8、系的描述了材料的应变硬化效应、应变率硬化效应和热软化效应。由于其适应性强，使用方便并且拥有大量的材料常数积累，直到今天依旧有大量的研究人员采用这一本构关系。Zerilli和Armstrong于1987年考虑到材料体心立方（bcc）和面心立方（fcc）点阵结构的差异，以位错动力学为基础建立了分别针对于bcc金属和fcc金属的材料热粘塑性本构关系（Zerilli—Armstrong本构关系），相对于Jolnson—Cook本构关系，Zerilli—Armstrong本构关