冲击载荷下钕铁硼破坏特性研究

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钕铁硼稀土合金因其优越的磁性能,被广泛应用于各行各业,研究冲击载荷下钕铁硼破坏特性对其发展应用具有重要的意义。目前,人们对于冲击载荷下钕铁硼稀土合金的破坏特性的认识并不清楚,因此本文主要研究了冲击载荷下钕铁硼稀土合金的动态响应和破坏特性,具体的工作和研究内容如下:利用一级气体炮和DISAR测速装置对牌号为N42的钕铁硼稀土合金进行冲击加载试验,通过对简单阶梯试样冲击波波速测量,利用平板撞击实验进行误差分析,研究发现低速下钕铁硼稀土合金冲击波波速测量误差的原因是飞片撞击靶板时存在倾角,同时改进了阶梯试样和实验方案,设计了一种对称阶梯试样,利用对称探针的测量方式消除飞片倾斜撞击靶板产生的误差,发现在低压范围内,钕铁硼稀土合金的冲击波波速接近一个常数。通过质量平均法计算得到了钕铁硼合金材料的Hugoniot关系,并且与高压下的冲击压缩实验结果符合较好。通过平板撞击实验,实现了钕铁硼稀土合金在一维应变下的层裂。实验结果表明,层裂强度随着冲击压力的增加呈现先增加后减小的变化规律,并且存在一个临界的压力阈值,当冲击压力超过阈值时,钕铁硼稀土合金就会发生压缩损伤,并且减小其层裂强度。通过对试样回收观察,发现钕铁硼稀土合金试样在一定压力下层裂破坏下会出现三种碎片的破坏形式,分别是撞击面一侧的碎片、自由面一侧的碎片和层裂区域的碎片,并从理论上分析了产生这种破坏方式的原因。对回收试样碎片的测量和分析,发现了层裂区域的大小与冲击压力相关,随着冲击压力的增加,层裂区域的厚度逐渐变大。采用Rosenberg的观点利用Griffth屈服准则计算钕铁硼稀土合金的Hugoniot弹性极限,用层裂强度代替单轴应力下的拉伸强度,得到了钕铁硼稀土合金Hugoniot弹性极限,并给出了钕铁硼稀土合金动态屈服强度的大致范围。对钕铁硼稀土合金的微观结构进行表征,并从微观的角度分析了钕铁硼稀土合金在冲击载荷下的断裂机理。结果表明,在低应变率下,由于富Nd相位于晶体晶界位置,且其强度较低,所以材料破坏方式主要是沿晶断裂,在高应变率下,由于裂纹尖端附近释放的应变能显著增高,导致裂纹前端的单个晶粒分裂,从而发生穿晶断裂。采用线弹性模型,并添加最大拉应力破坏准则,利用LS-DYNA有限元程序,对平板撞击下钕铁硼稀土合金的层裂破坏进行数值模拟,并与层裂实验的结果对比分析。从数值模拟的结果来看,针对试样自由面粒子的速度时程曲线,材料发生层裂的位置和时间与实验测得的数据比较吻合。
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