铜基粉末冶金多孔材料在高应变率下的力学性能及本构关系.pdf
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1、机 械 度 2 O O 3,2 5(5):4 9 9 5 0 3 铜 基 粉 末 冶 金 多孔 材 料 在 高应 变 率 下 的力 学 性 能 及 本 构 关 系 MACI-I E NI CS P ROP E RT I E S A ND C ONS T I TU TI V E EQUATI ON OF C U MAT RI X P OWDE R MET AL L URGY(P M)P OROUS MAT E RI AL AT HI GH S TRA I N RAT E S 刘建秀 李蔚。宋宇伟 韩长生 张祖根 王悟(1 郑州轻 工业 学院 机 电学院,郑 州 4 5 0 0 0 2)(2 郑
2、州大学 河 南省道路检测 工程技 术研 究 中心,郑州 4 5 0 0 0 2)(3 中国工程物理研 究 院流体物理研 究所 爆 轰与冲击波物理 实验 室,四川绵 阳 6 2 1 9 0 0)L I U J i a n x i u。L I W e i。SONG Yu we i HAN Ch a n g s h e n g Z HANG Zu g e n W ANG W u (1 D e p a r t m e n t o fMe c h a n i c a l a n d E le c t r i c a l S c i e n c e,Z h e n g u I n s t i t u t
3、e o fL i g h t I n d u s t r y,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2,C h i n a)(2 H e n a n E n g i n e e r i n g C e n t e r f o r R o a d N DT T e c h n o l o g y,Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2,C h i n a)(3 1 a b o r a t o r y o fS h o c k a n d D e t o n a t i o n,I n
4、 s t i t u t e o f g u a n d P h y s i c s,C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s,Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 0,C h i n a)摘要通过实验得出铜基粉末冶金摩擦材料在高应变率下的应 力应变 曲线,建立该材料 的本构模 型。在分离式 H o p k i mo n压杆(S m B)上进行 了该材料在 1 0 s 一1 0 s 应变率范围内的冲击试验,弹速范围为 4 m s 一1 5 m s,在透射杆上 采用半 导体应变计技术;在 M T S
5、实验机上做 了该材料在 1 0。,s 一1 0 ,s 应变率范 围内的准静 态实验,分别 在应变为 0 0 0 5、0 0 1、0 0 2、0 0 3 5时卸载再加载,以验证该材料 的粘弹塑性特征。通过分析动态和静态实验曲线,发现该材料在应 变率 3 0 0 s 和准静态时有应变硬化效应,但在 5 0 0 s 以上却反映出应变软化效应,得出该材料为含损伤非线性粘弹塑性材 料,故提出用适应于脆性材料 的粘弹塑性模型和粘塑性项的组合本构模型来拟合该材料应变弱化段 的本构方程。所得 结果可推广应用于类似烧结合金的材料。关键词粉末冶金摩擦材料应力应变本构方程 中 图分类 号T B 3 8 3 0 3
6、4 7 5 0 3 1 3 5 A b s t r a c t B a s e d o n t h e d y n a m i c s s t r e s s-s t r a i n c a l v e s o f C u-m a tr i x p o w d e r m e t a ll u r g y(C u-P M)a t h i g h s t r a i n r a t e,a n u m e ri c a l c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n i s p mr 1 T h e d y n n i c c o mp r e s s i o
7、 n t e s t s a r e ma d e a t s t r a i n r a t e 1 0 s 一 1 0,s b y S p l i t Ho p k i n s o n P l 刚 岭 B a r (S H P B),w i t h b u l l e t s p e e d o f 4m s 一1 5 m s 嘁t h e d y n a n i c c o m p r e s s i o n t e s t,t h e me a s u r e m e n t t e c h n o l o g y o f s e m i c o n d u c t o r g a g
8、 e i s s u g g e s t e d o n t h e t r a n s mi t t e d b a r rnl e q u a s i s t a t i c t e s t a r e ma d e a t s t r a i n r a t e 1 0一 s一1 0 s b y MTS ma c h i n e U n l o a d a n d r e l o a d a I c o n d u c t e d a t S l l a i n 0 0 0 5,0 0 1,0 0 2,0 0 3 5;s h o w t h e ma t e r i a l p r o
9、p e r t i e s o f v i s c o-e l a s t i c p l a s t i c s B y a n a l y s i s t h e s t a t e a n d a y l l a l mc s c u l v ,t h e h a d e n e ffe c t i s s h o w n u n d e r 3 0 0 s a n d q u a s i-s t a ti c l o a d,b u t t h e n e g a t i v e s t r a i n-r a t e e ff e c t i s o b s e r v e d a
10、t h i g h S l l a i n r a t e(I I mt h a n 5 0 0 s)T h e d n a g ew e a k e n i n gm e c h a n i s m r e s u l t e df r o m a r a t e-d e p e n d e n t e v o l u t i o n o f c r a c k s a I d i s c u s s e d,i t i s i mp o s s i b l e t o t a k e p l a c e t h e a d i a b a ti c s h e a r i n g a t
11、h i s h s t r a i n-r a t e f o r C u-P M,p r o v i n g t h a t Cu-P M i s a v i s c o-e l a s t i c-p l a s ti c ma t e ri a l w i t h d a m-a g eA v i s c o-e l a s t i c p l a s t i cmo d e l f o rfi t t i n gt h el o a d c u l v e a t h i g h s t r a i n r a t ei sp mr 1 I t fi l l s u pt h eb l
12、 a n k o f t h ed y n a mi c d a t af o r P M m a t e r i a l a n d s u p p l e s t h e c r e d i b i l i t y e x p e r i me n t d a t a f o r t h e e 咖既 n g a p p l i c a t i o n Ke y wo r d s P o wd e r me t a U u r g y;Fr i c t i o n m a t e r i a l;S t r e s s;S t r a i n;Co n s t i t u ti v e e
13、 q u a ti o n C o r r e s p o mg a u t h o r:L I U J i a n x i u。E-m a i l:j e n n y l i u 6 2 h o t m a i l c o m,F a x:+8 6 3 7 1-3 5 5 6 9 2 2 T h e p r o j e c t s u p p o r t e d b y t h e F u n d o f C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s(N o 4 2 1 0 1 0 2 0 1),t h e F
14、 u n d o f O u t s t a n d Y o u n g o f H e n a n P r o v i n c e a n d t h e I m p o r t a n t R e s e a r c h P r o j e c t o f H e n a n P r o v i n c e(N o 0 3 2 3 0 2 3 9 0 0 0)o f C h i n a Ma n u s c ri p t r e c e i v e d 2 O O 3 0 4 O 7,i n r e v i s e d f o r m 2 0 0 3 0 7 1 5 1 引言 粉末轧 制成
15、型方法生产 的烧 结金属多孔材料具有 较多的优点,如减音防噪、缓冲吸能和导热耐磨等。2 ,已 广泛 用于填 充、防护、摩擦 等领域。因此研 究这类 材 2 O O 3 O 4 O 7 收 到初稿,2 0 0 3 0 7 1 5收 到 修 改 稿。中 国工 程 物 理 研 究 院 基 金(4 2 1 0 1 0 2 0 1)、河 南 省 杰 出青 年 基 金 和 河 南 省 重 点 攻 关 项 目资 助(0 3 凇9 O O 0)。刘建 秀,女,1 9 6 2年 1 O月 生,山西省 洪洞 人,汉族。郑 州轻 工业学 院研究 生处 副处 长,教授,博 士研究 生,主 要从 事 力学 教学 和材
16、料性 能 研究 工 作,多项 科研 成果 获省部 级奖励。维普资讯 http:/ 5 0 0 机 械 强 度 2 0 0 3年 注:以上配方 的大致 硬度 和密度 为,硬 度 HB 5 07 0,密度 4 5 g m3 6 0 g m 3。第 三种配 方 的硬度 为 HV 6 0,密度 为 5 0 g m3。料在冲击载荷下 的动力 学行 为一 直为 国内外 所关 注_ 3 j。有 关铜 基粉 末 冶 金(C u P M)高应 变 率条 件下 的动 态力 学 性 能,由于 材料 组分 的 多 变 性 和 实 验 技 术 的原 因,迄 今 尚未 见 到 公 开 报 道。在 此利 用 霍 普 金 森
17、 压 杆(S H P B)在 1 O s一1 O s应 变 率 范 围 内 对 C u P M动态曲线进 行研究。2 配 方及 实 验设 计 2 1配方 子 弹 测 速 芊 置 入 千 样 I品 透 杆 吸 l殳 杆 阻 早 器 Bu l l e t Sp e e d me a s u r e I nc i d e n t S pe c i me n Tr a n s mi t t e r Obs o r b a n t Da mpe r 材料 的制作 在某摩擦 材料有 限公 司完成,配方 与厂 方协 商而定。实验 所用 的铜基 粉末冶金 的组 分如表 1 所 示。其 中 C u、S n、z
18、n为基材,F e、N i、C e r a mi c、M o、莫 来石、s i 0 2为摩 擦调 整 剂,P b、石 墨为润滑剂(试件材料 为第 三种配方)。2 2 实验设计 落锤 实验 由于没有考虑实验装 置及试件的惯性效 应,所 以很 难准 确测 量试 件 的动 态性 能参数 。基 于 这个原 因,实验 在分 离式 H o p k i n s o n压杆 上 进行,试 件 尺寸为(2 j 1 2i n l n6 i n l n,可 以不考虑 这种惯性 效应而视 试件为均 匀体。根据 S H P B的实验原理,针对 材料 的静态 特征,实 验在(2 j 1 4 5 i n l n的钢 质 S
19、H P B上 进行,入 射杆 长为 8 0 0 i n l n,透射 杆长 为 1 0 0 0 i n l n,子 弹长 为 1 3 8 m l n,弹速 范 围为 4 n d s 一1 5 n d s,实 验装 置 及测 量 系 统简 图 如 图 1 所 示。由于粉末 冶金 中 的弹性 波速低(一般 为 1 2 0 0 n d s 一1 7 0 0 n d s),再加 上它 的密度 较低,所 以外界 干扰 信 号十分 明显,信噪 比较小,因此在透射杆 上贴半 导体应 变计;实 验 中半 导 体 应 变 计 处 于 线 性 范 围(5 0 0 )引,因此 可 不考 虑其 非 线 性 问题。实测
20、 的典 型 原 始入射波 i、反射 波 和透射波 如图 2所示。S H P B理论是建立 在一维 应变 和应力均 匀化假 定 基础上 的,对 于多孔材料,采用均匀化假定对应力 应变 曲线 的加载 起始段 和卸 载段影 响显 著,周风华 9 针 对 上述 问题提 出了时间不均匀性 和空 间不均匀性 及其 解 图 1 S H P B实验 装置 简 图 F i g 1 S HPB e q u i p me n t 芝 幽 0 0 0 0 0 0 0 00 l 000 02 0 0 0 0 3 时间 T i me S (b)图 2 1 0 1 9 2 m s 铜 基 粉末冶 金材 料的原 始波 形 图
21、 Fig 2 C u P M m a t e r i a l 西I l a l W a v e f o IT l l a t 1 0 1 92 m s 决方法。时 间不 均匀性是 指试件两端 的应力一 时间曲 线有一个时间差;空 间不 均 匀性是 指试 件左 右两端 的 应力一 时间曲线 的形状 有差 异,对 于时间不 均匀 性可 许许许 一 0 5 一 一 5 l 5 一 一 3 l 狮 加 一 一 3 5 8 5 2 一 一 一 3 0 l 一 8 加 2 一 2 0 加 m 2 2 l 一 3 7 5 一 一 一 2 3 l 鲫 鲫 一 一 一 0 0 0 S 耋 问 时 0 0 2 0
22、 0 2 0 兰0 A 坦 维普资讯 http:/ 第 2 5卷第 5期 刘建秀等:铜基粉末冶金多孔材料在高应变率下的力学性能及本构关系 芝 2 0 5 0 l OO l 50 2 0 0 25 0 时间 Ti me1 0 s 图 3 试 件左 右端 面的应 力应 变 曲线 F i g 3 S t r e s s-s t r a i n e U lV es O 1 1 b o t h s i d e s o f s p e c i me n 以通过 时间平 移法解决,对 于空 间不均 匀性 只 能采 用 三 波法计算 解 决 _】。为此 画 出如 图 3所 示 的左 右 端 面应力时间 曲线,
23、从 图 中可 以看 出,在应力低 于 2 0 MP a 时间差 较 为 明显,也 就是 说,在 开 始 的 3 0 以前 和 1 6 0 以后,左 右端 面应力有 时间差,中间部 分并不 明 显。为 了测得符合 实际情 况 的数 据,在试 件 的两端 面 涂了黄油,以便 减少摩 擦,在输 入 杆 的前 段 贴薄 膜,以 减小弥散振荡,使加载波 形光滑 _】。这样 冲击波 在 试件 循 环 47个 来 回(3 0 g s内),基 本 达 到 应 力 均 匀状态,所 以没有用 时间平 移法考虑 时间不均匀性。但 毫 詈 一0 0 2 0 0 0 0 0 2 00 4 0 0 6 0 0 8 0 1
24、 0 0 1 2 0 1 4 应 变 S t r a i n 图 4 铜基 粉末 冶金材 料的 动态应 力应 变试验 曲线 F i g 4 C u PM ma t e r i a l d y,mi c 1 e s s s t r a i n e x p e r i me n t a l c u n e 图 6 原 始试样 中的裂纹 和孔 隙,5 0 0 6 C r a c k s a n d p o r e s i n o ri s s p e c i me n,5 0 0 为考虑试 件应 力曲线形 状 的差异,用 三波 法对 数据进 行处理,得 出应力 应变曲线如图 4所示。为 了充分认识该
25、材料特征,并与动态 曲线 比较,根 据 国家压缩 实验标准 G B 7 3 l 4 _8 7进行 了准 静态压缩 实验。准静态实验是 在 M T S 8 0 9 A T实验 机上完 成 的,用 常温单轴引伸仪 6 3 2 2 9 F 3 0,标距 5 i n l n,应变范 围 一 1 0 3 0 ,温度 是 室温。夹 具 为 6 4 7 5 0 A 0 2 5 0 k N,圆试件尺寸 为 l 5 2 i n l n4 5 i n l n。实验结 果如 图 5所 示,每组应 变率 做 5个试样,分析结果取平均值。凸一 器 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 l 0 00 l 5 0 0 2
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