高应变率与大载荷下纳米晶铜形成的细观机理研究

自从德国科学家H.Gleiter首次成功地制备出具有清洁界面的纳米晶体材料以来，对于纳米晶体材料的制备方法、材料特性、变形机制以及实际应用等各方面的研究都已取得了重大进展，纳米晶体材料已经成为目前凝聚态物理学与材料科学等学科领域的一个重点研究方向。 本项目采用爆炸动态加载使粗晶铜发生高应变率塑性大变形的方法制备出了纳米晶铜，并开展了以下研究工作。首先，在实验上，对厚度为20mm和60mm两种圆柱纯铜件分别采用不同的装药厚度沿轴向进行了爆炸加载，然后采用日本理学公司的D/Max2500VL/PC型阳极转靶X射线衍射仪分别对爆炸加载实验后的试件进行了X射线衍射分析，对试件的晶粒平均尺寸进行了检测。其次，通过采用MTS810材料试验机和Φ14.5mm的霍普金森压杆分别对纳米晶铜的准静态及动态力学性能进行实验研究，以此为基础拟合确定纳米晶铜的Johnson-Cook本构参数，并借助于LS-DYNA3D有限元程序对爆炸加载过程进行数值模拟，以此为基础分析应变、应变率因素对晶粒细化程度的影响。最后，以实验结果为依据，从宏观角度建立冲击绝热压缩过程中的整体升温机制，从细观角度建立微尺度下的材料学现象同细观传热相耦合的晶粒温升计算模型；以实验结果配合计算结果，探讨爆炸加载法对纳米晶形成的细观机理。 通过研究结果表明：采用爆炸动态加载法可以成功制备出纳米晶铜，并且数值模拟可以有效地描述试件的爆炸加载冲击压缩过程，结合实验结果得出应变、应变率的增加有利于晶粒的细化。通过对于宏观整体温升以及细观局域温升的理论计算，得出爆炸动态加载下纳米晶铜具有很好的热稳定性。通过采用透射电镜（TEM）观察分析，该方法下晶粒的细化机制为位错运动和变形孪晶共同作用的结果。 2100433B

首次提出爆炸加载制备纳米晶铜的方法，该方法可避免外来污染，并可在更大应变率范围和更大应变范围内实现粗晶铜的纳米晶化。重点解决以下三个问题：（1）定量表征不同应变率、不同应变对晶粒细化程度的影响；（2）以绝热压缩和冲击波耗散引起的整体升温机制为基础建立宏观温升计算模型，从细观角度将晶粒的变形、晶格的畸变、位错演化、孪晶形成等材料学现象同微纳米尺度传热相结合，研究爆炸加载下晶粒组织的演变过程和纳米晶形成规律；（3）改进晶粒和晶界本构关系并确定相关参数，以有限元法模拟热力耦合的晶粒演变行为，探索应变率、应变、细观传热、材料特性、载荷特性等因素对晶粒细化机制的影响。本项目的开展将促进爆炸与冲击动力学和材料学的学科交叉。对纳米晶形成的细观机理的研究，有利于使该技术向更精细的方向发展，与现代材料学的精细程度相吻合。

本项目利用先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，进行堤坝的渗透模型试验，摄录土颗粒的移动轨迹，确定形成管涌的临界参数。基于散体介质颗粒流理论及其分析方法等细观力学手段，分析渗流与土介质的共同作用及渗流的贴壁挤土效应，深入研究管涌形成过程的细观力学机理。建立关于管涌形成和发展规律的细观理论模型，利用并开发PFC2D软件对管涌形成与发展过程中土颗粒的移动规律进行细观仿真模拟。结合堤防工程的管涌险情实例进行分析研究，为管涌险情的预测和治理提供参考意见。本研究成果对防洪减灾具有重要意义。 2100433B

混凝土作为一种建筑材料在国防和土木工程中得到了广泛的应用，研究混凝土在强动载荷下（如高速侵彻或爆炸）的响应和破坏问题对武器、防护结构的设计和评估具有重要意义。本项目拟建立混凝土新的3D细观力学模型和构建一个不仅考虑各种因素的影响而且方便计算应用的混凝土动态本构模型来研究混凝土在冲击载荷下的响应和破坏。主要研究内容如下：（1）利用基骨料向外随机延拓的方法生成骨料形状不同的3D两相混凝土细观力学模型；（2）在两相模型的基础上利用单元重构的方法在骨料和基体之间创建ITZ层单元获得3D三相混凝土细观力学模型；（3）建立考虑各种因素的混凝土本构模型；（4）利用新建的细观力学模型和本构关系研究混凝土抗侵彻和抗爆炸能力以及破坏形貌；（5）通过实验验证细观力学模型和本构模型的正确性。