我國在材料動(dòng)態(tài)失效領(lǐng)域最新的成果

2019年1月11日，物理學(xué)頂級期刊《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)在線報(bào)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)，這篇文章被主編選為" Editor’s Suggestion"。

該工作所采用的我國首臺(tái)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(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(tái)，為本文的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)正在自主研制有望達(dá)到國際領(lǐng)先水平的超高時(shí)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(tái)線陣式高速紅外測溫儀

在沖擊載荷下，絕熱剪切帶被認(rèn)為是材料失效的重要機(jī)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(rèn)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(rèn)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(rèn)識(shí)還未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了絕熱剪切局部化過程中載荷、變形和溫度之間的時(shí)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(jìn)行描述。該團(tuán)隊(duì)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(jī)記錄試樣的變形過程。高速紅外測溫系統(tǒng)包括一個(gè)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(shí)間小于1μs，單個(gè)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(shí)間演化歷史

圖2給出試樣的應(yīng)力和溫度隨時(shí)間演化歷史。試樣的變形可以分為三個(gè)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(gè)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(shí)可以看出，在試樣達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)，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(diǎn)認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，試樣內(nèi)出現(xiàn)絕熱剪切帶。實(shí)驗(yàn)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(shí)刻的相對關(guān)系。絕熱剪切帶的萌生時(shí)刻出現(xiàn)在最大應(yīng)力時(shí)刻點(diǎn)之后。實(shí)驗(yàn)結(jié)果意味著基于熱-塑性失穩(wěn)的臨界準(zhǔn)則預(yù)測的臨界剪切應(yīng)變可能會(huì)偏小。絕熱剪切帶萌生時(shí)刻的溫度大約50-90?C，導(dǎo)致的應(yīng)力下降30-54MPa。同時(shí)，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(dá)到最大值。溫度的快速上升可以認(rèn)為是絕熱剪切帶形成和傳播導(dǎo)致的。同時(shí)，通過分析高速相機(jī)獲得變形過程，可以知道絕熱剪切帶完全傳播到整個(gè)試樣的時(shí)間小于10μs。因此，更大局部變形促進(jìn)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(shí)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(jī)理應(yīng)該需要被重新認(rèn)識(shí)。

圖4 動(dòng)態(tài)剪切失效過程中的典型事件發(fā)生時(shí)刻