用于膨胀管分离结构的铝合金动态断裂韧性研究

发布时间：2017-03-31 13:00

  本文关键词：用于膨胀管分离结构的铝合金动态断裂韧性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：膨胀管爆炸分离器中的分离板是一种连接构件，分离前起连接载具与机体的作用。在分离过程中，由于爆炸冲击作用，裂纹在分离板中预先开好凹槽处的削弱带上迅速扩展，分离板快速整体断裂从而实现载具分离。分离板的断裂形式通常为I型裂纹扩展断裂。 本文基于断裂力学基础理论，通过准静态和动态三点弯曲断裂实验，研究和测量2024-T4与7075-T6两种航空常用铝合金金属在静态与动态两种加载条件下材料的断裂韧性，分析材料对裂纹的敏感度。 在研究过程中，通过准静态与动态两种加载实验测试了材料的各个参数值，详尽地分析与统计测试到的数据以比较两种材料断裂力学行为的差异。在目前实验与理论条件下，材料的动态断裂韧性分析是一大难题，很难做出可靠的结果，本文采取了弹簧质量块等效模型做出了两种材料动态断裂韧性值的最终解；同时使用高速摄影技术和数字散斑方法分析确定了各试件受动载时的裂纹失稳扩展点，再利用等效模型把试件的等效刚度，等效圆频率以及材料应力力场强度因子的随时间曲线图模拟出来；最后，通过数据统计校验、试件回收后的镜相扫描、微观成相观测等方法来对材料的动态断裂行为做出判断与分析，找出材料微观结构，加工方式，构型形状等之间的相关影响，为膨胀管爆炸分离器中分离板的操作提供理论依据、技术规范以及数据支持。本文主要使用以下几个测试手段来实现该目的： （1）基于材料万能实验机的准静态加载技术设计了静态三点弯曲试件断裂韧性的实验装置并测试了对2024-T4与7075-T6板材铝合金在静态加载下的断裂性能。 （2）采用小落锤实验机的动态加载技术和标准三点弯曲试验对2024-T4与7075-T6铝合金板材的断裂性韧性能进行了测试。通过实验测得P(t)曲线，使用高速摄影仪与散斑分析得出其开裂时间tC，对应到数值计算出来的K(t)曲线图上的值K(tC)，即为材料的动态断裂韧性值KIC。 通过以上试验方法进行测试操作，本文得到了以下几个结论： （1）实际操作过程中，通过这种技术对2024-T4与7075-T6铝合金板材准静态断裂韧性进行了测试与实验，证明该实验测试技术有效切实可行。通过对2024-T4与7075-T6铝合金板材在0.1mm/s，0.5mm/s、0.01mm/s三种速度加载条件下进行的准静态断裂韧性发现，2024-T4在20.1MPa m1/2至25.66MPa m1/2变化，其平均值为24.06MPa m1/2。7075-T6则在21.77MPa m1/2至24.98MPa m1/2变化，其平均值为23.31MPa m1/2。 （2）在动态加载条件下，2024-T4的断裂韧性值在25.14MPa m1/2至28.45MPa m1/2变化，其平均值为26.63MPa m1/2，裂纹平均起裂时间为0.525ms。7075-T6则在28.02MPa m1/2至37.09MPa m1/2变化，其平均值为33.7MPa m1/2，裂纹平均起裂时间为0.532ms。因此，可以得出在动态加载条件下，7075-T6抵抗断裂的能力则要高于2024-T4，这与静态加载时有所不同。另外，从测试到的数据可以发现：当落锤高度越大（100~500mm），即锤头冲击速度越大，材料表现出来的断裂韧性值相对就越大，这是因为随着动态载荷变化率KId的增大，材料抵抗裂纹扩展的能力也相应增加。 （3）通过对动态断裂韧性的后续分析以及断裂实验回收试件的断口微观镜相特征分析发现：动态加载下，2024-T4铝合金内部孔洞或裂纹主要成核于晶内的强化相而形成穿晶断裂，，其裂纹尖端微观扫描成像表明主要为脆性断裂，而7075-T6铝合金则主要表现为脆韧混合性断裂。
【关键词】：2024-T4铝 7075-T6铝 膨胀管分离器 三点弯曲 动态断裂韧性 数字散斑技术
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 研究背景10-21
• 1.1 航空爆炸分离中火工品装置的介绍10-12
• 1.2 航天飞行器中的爆炸分离技术调研12-14
• 1.3 超级拉链分离器介绍14-16
• 1.4 航空分离器中关键断裂力学问题的研究情况16-19
• 1.5 本文的主要工作19-21
• 2 膨胀管中分离板的裂纹扩展机制及关键断裂力学行为21-33
• 2.1 基于断裂力学相关理论的航空爆炸分离器研究22-23
• 2.2 膨胀管分离器常用航空铝合金的热处理效应23-25
• 2.3 膨胀管分离器常用航空铝合金断裂过程中的力学理论25-27
• 2.3.1 断裂力学中的基本力学性能参数指标25-26
• 2.3.2 在动态加载时裂纹扩展机制介绍26-27
• 2.4 裂纹尖端处附近区域的应力与位移场理论介绍27-28
• 2.5 动态断裂韧性实验的主要方法28-31
• 2.5.1 动态断裂韧性测试的实验方法28-31
• 2.6 本文实验部分的主要工作31-33
• 3 2024-T4 与 7075-T6 铝合金材料断裂韧性的实验测试33-46
• 3.1 试件的设计与制备33-37
• 3.1.1 确定试件各尺寸间的关系33-34
• 3.1.2 试件材料与化学成份34-35
• 3.1.3 试样的制备35
• 3.1.4 裂纹的预制35-37
• 3.2 准静态下三点弯曲实验方案37-39
• 3.3 三点弯曲动态加载与测试系统的设计39-42
• 3.3.1 试件装载方式的介绍40-41
• 3.3.2 三点弯曲动态加载与测试系统的设计41-42
• 3.4 动态三点弯曲试验中试件动态断裂韧性的测试方法42-43
• 3.4.1 动态断裂韧性的分析过程42-43
• 3.4.2 动态加载下 KI(t)的计算方法与模型简介43
• 3.5 材料裂纹失稳扩展的起始点 tC43-45
• 3.6 本章小结45-46
• 4 2024-T4 与 7075-T6 两种铝合金断裂韧性的实验测试46-76
• 4.1 准静态三点弯曲实验实验46-48
• 4.2 动态三点弯曲实验48-49
• 4.2.1 落锤实验理论48
• 4.2.2 实验测试方法48-49
• 4.3 实验实测数据49-59
• 4.3.1 准静态三点弯曲实验49-55
• 4.3.2 动态三点弯曲实验55-59
• 4.4 实验结果59-71
• 4.5 实验结果分析与讨论71-74
• 4.5.1 静态三点弯曲实验71-73
• 4.5.2 动态三点弯曲实验73-74
• 4.6 本章小结74-76
• 5 关于动态断裂的性能分析76-81
• 5.1 试件回收与分析76
• 5.2 材料断裂韧性的微观分析76-79
• 5.2.1 材料的断口分析76-77
• 5.2.2 材料的韧窝分析77-79
• 5.3 本章小结79-81
• 6 结论与未来展望81-83
• 6.1 主要的工作与结论81
• 6.2 未来的工作展望81-83
• 参考文献83-85
• 在学研究成果85-86
• 致谢86

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本文编号：279606