【摘 要】
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TC11钛合金与DZ406高温合金材料具有耐高温、可塑性好、强度大等优良的力学性能,在发动机上得到了应用。由于发动机长期工作在高温高压的环境中,其所用材料受到高温、高应变率条件下的冲击载荷作用将发生力学性能的变化。准确预测TC11钛合金与DZ406高温合金材料在高温、高应变率条件下的动态力学行为,对发动机结构性能的分析与评估具有重要意义。本文利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对TC11钛合金与
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TC11钛合金与DZ406高温合金材料具有耐高温、可塑性好、强度大等优良的力学性能,在发动机上得到了应用。由于发动机长期工作在高温高压的环境中,其所用材料受到高温、高应变率条件下的冲击载荷作用将发生力学性能的变化。准确预测TC11钛合金与DZ406高温合金材料在高温、高应变率条件下的动态力学行为,对发动机结构性能的分析与评估具有重要意义。本文利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对TC11钛合金与DZ406高温合金材料所制标准试件进行了高速冲击试验,研究了两种材料在高温高应变率条件下的力学性能,通过试验数据反算求解了两种材料的Johnson-Cook本构（J-C本构）模型参数,并利用有限元分析方法对所得到的本构模型参数进行了验证。主要工作如下:（1）搭建了高温高应变率条件下材料性能测试平台,设计了试验测试方案。介绍了SHPB试验测试原理及基本假定:一维应力波假定和试件应力均匀分布假定。介绍了试验数据的处理方法:三波法和二波法,并采用二波法作为试验数据的处理方法。搭建了可满足高温高应变率条件的SHPB试验平台,并制定了一套针对TC11与DZ406材料的高温高应变率试验的测试方案,包括:高温加载方案、高应变率加载方案等。基于试验装置和试验方案,进行了两种材料在25℃～400℃温度范围内、应变率为10与5×10条件下的轴向冲击试验,得到了两种材料在不同温度和不同应变率条件下的入射端和透射端的应变随时间变化的基础数据。（2）分析了两种材料典型力学性能受温度和应变率影响的变化规律。对基础试验数据进行处理,得到了两种材料在高温高应变率条件下的真实应力-应变曲线及最大承载应力等动态力学性能参数,并分析了两种材料力学性能受应变率和温度影响的变化规律。数据结果表明:应变率和温度对TC11材料的力学性能有影响,在相同温度条件下随着应变率增加,材料的最大承载应力有所增大,表现出应变率强化现象;在相同应变率条件下随着温度升高,材料的最大承载应力有所减小,表现出温度热软化现象。对于DZ406材料,在相同温度条件下随着应变率增加,材料的最大承载应力有所增大,表现出应变率强化现象;当应变率相同时,在200℃～300℃温度范围内,随着温度升高,材料的最大承载应力减小,表现出温度热软化现象,在25℃～200℃、300℃～400℃温度范围内表现出随温度升高其最大承载应力增加的现象。（3）求解了两种材料的J-C本构模型参数。基于不同温度和不同应变率条件下的两种材料的真实应力-应变曲线数据,利用指定应变对应的应力数据反算求解了TC11与DZ406两种材料的J-C本构模型参数,包括:静态常温条件下的屈服强度、应变硬化参数、应变硬化指数、应变率参数、温度效应参数等,将求解后的模型预测结果与试验结果进行对比,发现了所得模型具有预测误差,对此利用不同条件下的应力-应变曲线的所有数据点对本构模型的参数进行拟合修正,将优化后的J-C本构模型预测结果与试验结果进行了对比,预测准确度有所提升;最后利用有限元仿真软件LS-DYNA对所得本构模型进行验证,数值仿真结果与实验数据结果趋势吻合良好。
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