Effect of surface roughness on impact expansion fracture of 6061 aluminum alloy thin-walled cylindrical tube
-
摘要: 采用分离式霍普金森杆实验技术，对表面加工后不同粗糙度的6061铝合金薄壁圆柱管进行动态膨胀断裂冻结回收实验，并对薄壁金属圆柱管动态膨胀断裂过程中裂纹萌生、扩展情况以及最终断裂模式等进行了研究。结果表明：相同冲击压力条件下，薄壁金属圆柱管表面粗糙度越大，材料越容易发生膨胀破裂；裂纹萌生于外壁面，由外向内扩展，并且裂纹的扩展主要受裂纹处应力状态的影响；薄壁金属圆柱管的断裂模式由拉伸和剪切断裂机制起主导作用，其断口为拉剪混合型断口。Abstract: Dynamic expansion crack freezing recovery tests of 6061 aluminum alloy thin-walled cylindrical tubes with different roughnesses after surface processing were carried out with the split Hopkinson pressure bar experimental technique, and the crack initiation, propagation and final fracture mode of the thin-walled metal cylindrical tubes of dynamic expansion fracture process were studied. The results show that: under the same impact pressure, the greater the surface roughness of the thin-walled metal cylindrical tube, the more prone to the expansion of the material in the process of expanding fracture; the crack initiating on the surface of the outer wall is extended from the outside to the inside, and the crack propagation is mainly affected by the stress state at the crack; the fracture mode is dominated by the tensile and shear fracture mechanism, the fracture mode is a mixed type of tension and shear fracture.
-
超高速碰撞是指这样一类碰撞：碰撞所产生的冲击压强远远大于（弹靶）材料的强度。在超高速碰撞的最初阶段，材料的性态类似于可压缩流体，遵从流体力学定律。小天体对地球的撞击、空间碎片对航天器的撞击、动能武器对目标的撞击是典型的超高速碰撞现象。
超高速碰撞研究的兴起与航天工程、武器工程、地球及行星科学等领域的需求密不可分。20世纪50年代中期，由于航天安全和反弹道导弹技术的需要，世界主要军事和科技大国大力开展超高速碰撞研究。几十年来，在超高速加载与试验技术、高压状态方程、厚靶成坑、材料破碎与结构解体、碎片云膨胀规律、空间碎片防护结构、超高速碰撞数值计算等方面研究取得了较大进展。进入21世纪以来，超高速碰撞研究与力学、航空宇航科学与技术、兵器科学与技术、材料科学与工程、物理、天文学等相关学科领域进一步交叉融合，不仅在航天器空间碎片防护、反弹道导弹、装甲与反装甲、核反应堆安全防护设计、惯性约束聚变等工程领域发挥了重要作用，而且也促进了极端条件下材料的性质和状态方程、生命起源、陨石坑形成、高分辨诊断技术、多物理场多尺度数值模拟技术等基础研究的快速发展。
为促进我国在超高速碰撞领域最新研究成果的交流，探讨其发展趋势，推动该领域及相关学科的进一步发展，《爆炸与冲击》编辑部于2019年策划了“超高速碰撞”专题。专题征集了中国工程物理研究院、中国空间技术研究院、中国空气动力研究与发展中心、西北核技术研究院、哈尔滨工业大学、北京理工大学等单位提交的9篇论文，从不同侧面反映了近几年我国相关单位在该领域取得的最新成果。该专题在编辑、出版过程中得到了作者、审稿专家、编委和《爆炸与冲击》编辑部的大力支持，在此表示衷心的感谢。
北京理工大学教授、博士生导师 张庆明 《爆炸与冲击》副主编 -
图 8 圆柱管裂纹起始位置及扩展形式
Figure 8. Starting positions and Propagation routes of crack on cylinder shells
图 9 冲击膨胀断裂后断口处金相组织
Figure 9. Microstructure of fracture after impact expansion fracture
图 10 不同表面粗糙度的6061铝合金表面形貌变化
Figure 10. Surface morphology changes of 6061 aluminum alloy with different surface roughnesses
图 11 6061铝合金薄壁圆柱管冲击膨胀断裂后的表面微观形貌
Figure 11. Surface micro-morphology of 6061 aluminum alloy after impact expansion fracture of thin-walled cylindrical tube
图 12 6061铝合金薄壁柱管断口处的微观形貌
Figure 12. Microstructure of 6061 aluminum alloy thin-walled cylinder tube
表 1 6061铝合金主要化学成分
Table 1. Chemical composition of 6061 aluminum alloy
化学元素 Mg Si Fe Cu Cr Zn Mn Ti 质量分数/% 0.8~1.2 0.4~0.8 0.7 0.15~0.40 0.04~0.35 0.25 0.15 0.15 
下载: 导出CSV
表 2 6061铝合金物理性能参数
Table 2. Physical property parameters of 6061 aluminum alloy
ρ/(g·cm-3) ν 延伸率 Tm/℃ σt/MPa E/GPa 2.69 0.330 > 10% 582~652 > 205 68.9
下载: 导出CSV
表 3 薄壁圆柱管实验参数
Table 3. Experimental parameters of thin-walled cylindrical tubes
No. Ra/μm 1 0.190 2 0.243 3 0.278 4 0.314 5 0.385 6 0.414 7 0.489 8 0.551 9 0.689
下载: 导出CSV
-
[1] MOTT N F. A theory of fragmentation of shells and bombs[M]. Berlin: Springer Publishing, 2006:243-294. [2] TAYLOR G I. The fragmentation of tubular bombs[G]//Batchelor G K. The Scientific Papers of Sir Geoffrey Ingram Taylor: Vol. 3. Cambridge: Cambridge University Press, 1963: 387-390. [3] 马晓青.冲击动力学[M].北京:北京理工大学出版社, 1992:282-294. [4] 汤铁钢, 李庆忠, 孙学林, 等.45钢柱壳膨胀断裂的应变率效应[J].爆炸与冲击, 2006, 26(2):35-39. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract9208.shtmlTANG Tiegang, LI Qingzhong, SUN Xuelin, et al. Strain-rate effects of expanding fracture of 45 steel cylinder shells driven by detonation[J]. Explosion and Shock Waves, 2006, 26(2):35-396. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract9208.shtml [5] 汤铁钢, 李庆忠, 陈永涛, 等.实现材料高应变率拉伸加载的爆炸膨胀环技术[J].爆炸与冲击, 2009, 29(1):45-46. doi: 10.11883/1001-1455(2009)01-0045-04TANG Tiegang, LI Qingzhong, CHEN Yongtao, et al. An improved technique for dynamic tension of metal ring by explosive loading[J]. Explosion and Shock Waves, 2009, 29(1):45-46. doi: 10.11883/1001-1455(2009)01-0045-04 [6] 汤铁钢, 谷岩, 李庆忠, 等.爆轰加载下金属柱管膨胀破裂过程研究[J].爆炸与冲击, 2003, 23(6):529-533. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract10103.shtmlTANG Tiegang, GU Yan, LI Qingzhong, et al. Expanding fracture of steel cylinder shell by detonation driving [J]. Explosion and Shock Waves, 2003, 23(6):529-533. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract10103.shtml [7] HOGGATT C R, RECHT R F. Fracture behavior of tubular bombs[J]. Journal of Applied Physics, 1968, 39(3):1856-1862. doi: 10.1063/1.1656442 [8] 胡八一, 董庆东, 韩长生, 等.内部爆轰加载下的钢管膨胀断裂研究[J].爆炸与冲击, 1993, 13(1):49-54. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract10657.shtmlHU Bayi, DONG Qingdong, HAN Changsheng, et al. Studies of expansion and fracture of explosive-filled steel cylinders[J]. Explosion and Shock Waves, 1993, 13(1):49-54. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract10657.shtml [9] 叶想平, 李英雷, 张祖根.45钢薄壁圆柱管的冲击膨胀断裂机理研究[J].爆炸与冲击, 2014, 31(3):322-327. doi: 10.11883/1001-1455(2014)03-0322-06YE Xiangping, LI Yinglei, ZHANG Zugen, et al. Study on the fracture mechanism of 45 steel thin walled cylindrical tube[J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 31(3):322-327. doi: 10.11883/1001-1455(2014)03-0322-06 [10] 叶想平. 薄壁金属圆柱管的冲击膨胀断裂行为研究[D]. 绵阳: 中国工程物理研究院, 2012. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-82818-1012499404.htm [11] 叶想平, 李英雷, 李英华.基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术[J].爆炸与冲击, 2012, 32(5):528-534. doi: 10.11883/1001-1455(2012)05-0528-07YE Xiangping, LI Yinglei, LI Yinghua. Experimental technique of expanding cylinder tube based on SHPB device[J]. Explosion and Shock Waves, 2012, 32(5):528-534. doi: 10.11883/1001-1455(2012)05-0528-07 [12] 熊峻江.疲劳断裂可靠性工程学[M].北京:国防工业出版社, 2008:15-17. [13] 孙兆霞.6061铝合金冲击载荷作用下的变形断裂行为[J].轻合金加工技术, 2012, 40(7):65-69. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=qhjjgjs201207015SUN Zhaoxia. Deformation and fracture behavior of 6061 aluminum alloy under impact load[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2012, 40(7):65-69. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=qhjjgjs201207015 [14] 朱浩, 吕丹, 朱亮, 等.6061铝合金断裂机理的原位拉伸研究[J].机械工程学报, 2009, 45(2):94-99. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jxgcxb200902017ZHU Hao, LV Dan, ZHU Liang, et al. Study on the fracture mechanism of 6061 aluminum alloy by in-situ tension[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(2):94-99. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jxgcxb200902017 [15] 高重阳, 施惠基, 姚振汉, 等.薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究[J].爆炸与冲击, 2000, 20(2):160-167. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract10273.shtmlGAO Chongyang, SHI Huiji, YAO Zhenhan, et al. Study on the expansion fracture of thin walled cylindrical shell under internal explosion load[J]. Explosion and Shock Waves, 2000, 20(2):160-167. http://www.bzycj.cn/CN/abstract/abstract10273.shtml -
计量
- 文章访问数: 5727
- HTML全文浏览量: 2060
- PDF下载量: 142
- 被引次数: 0