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波阻抗错配铜铝层合结构冲击动力学行为研究

波阻抗错配铜铝层合结构冲击动力学行为研究

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作者：余浩南昌大学

学位级别：硕士

铜铝层合材料是一种新型材料,将铜合金的良好的导电性、导热性与铝合金的低密度、高强度、耐腐蚀性结合在一起。本研究选取爆炸焊接工艺制备的铜铝层合材料作为研究对象,该材料具有的波阻抗错配特性、层合结构和结合界面直接关系到材料... 详细信息

铜铝层合材料是一种新型材料,将铜合金的良好的导电性、导热性与铝合金的低密度、高强度、耐腐蚀性结合在一起。本研究选取爆炸焊接工艺制备的铜铝层合材料作为研究对象,该材料具有的波阻抗错配特性、层合结构和结合界面直接关系到材料的综合性能。深入探究波阻抗错配机制下,铜铝层合结构的冲击动力学行为,对铜铝层合材料的优化设计和工程应用有重要意义。本文从实验研究、理论分析和数值模拟三个角度展开论述。（1）采用霍普金森压杆装置,对铜铝层合试件进行了冲击压缩实验。实验结果表明,应力-应变曲线由于应变硬化和热软化效应共同作用呈现出波浪状抖动的现象。试件中铜侧呈现出半圆形变形,而铝侧呈现出半椭圆形变形,并且随着冲击速度的增加,这种变形差异更加明显。研究发现,变形差异是由于铜和铝材料属性的差异以及结合界面的协调作用所致。（2）为了探究结合界面对铜铝层合材料力学行为的影响。首先,对铜铝层合材料结合界面的微观结构进行了观察。实验结果显示,结合界面形貌特征为波状,在波峰处有明显的象鼻状结构,并产生了中间化合物Al Cu和Al2Cu。然后,测量了冲击后铜铝层合试件的维氏硬度,结果表明靠近焊接界面处的硬度值更大,说明中间化合物以及应变硬化增强了界面区域的硬度。（3）为了探究波阻抗错配机制对铜铝层合材料力学行为的影响。首先,研究了在波阻抗错配的弹性杆中,发生共轴碰撞时应力波的传播行为。然后,基于波阻抗错配机制,对铜铝层合试件冲击压缩过程进行了应力和应变的分析,并建立了数学模型。分析可知结合界面受到剪切力作用,并协调了试件的变形行为。最后,拟合了能够描述高应变率下材料力学行为的J-C本构方程。（4）对铜铝层合试件冲击压缩实验过程进行了数值模拟。经验证该数值模拟结果能精确描述铜铝层合试件在冲击压缩载荷下的力学行为。观察到结合界面区域出现了应力集中,并且铜和铝两侧的应力分布和应变分布存在差异。进一步揭示了结合界面对于铜铝层合材料变形行为的协调作用。

关键词：铜铝层合材料波阻抗错配结合界面冲击动力学行为

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