我国在动态材料失效分析领域有着重大突破

          2019年1月11日，《物理评论快报》在线报道了西北工业大学与北京工业大学（合编单位）联合研究成果。在方以宁教授和李玉龙教授的指导下，郭亚副教授（第一作者）、陈浩森副教授（合著）、朱圣新博士和齐启超大师对绝热剪切带的产生与温度（与绝热剪切有关的温升）的因果关系进行了研究。

        本次工作使用的一线型高速红外测温仪，是由北京理工大学金属材料检测中心陈浩森、方云宁的研究团队经过近三年（2014-2016年）自主研制的，并与西工大郭亚、李玉龙的研究团队相结合，结合动力学实验技术的优势。现场，经过近两年（2017～2018年）合作研究，第一次设计并建立了基于霍普金森分压杆的同步高速红外测温/高速光学非接触变形测量平台，为本文奠定了坚实的基础。据悉，该团队正在自主研发超高速时空阵列红外温度科学仪器，有望达到国际领先水平。  绝热剪切带是冲击载荷作用下材料破坏的重要机制之一。由于Zener和Hollomon提出绝热剪切局部过程是一种热塑性不稳定性，许多研究人员认为绝热剪切带是由材料的热软化与应变/应变率硬化之间的竞争造成的。此外，材料在剪切带内的再结晶表明，绝热剪切带的形成伴随着温度的升高。因此，大多数学者认为温升是导致绝热剪切带形成的主要因素。然而，这一普遍接受的理解尚未得到实验验证，主要是由于需要解决的两个问题：第一，绝热剪切对温度测量仪器提出了“两高一宽”的要求，即高时间分辨率（微秒级）。空间分辨率高（10微米级），温度范围宽（近千度），另一方面需要建立微秒同步红外温度测量和光学变形测量实验平台，揭示绝热剪切带的形成和温度。增加两者之间的因果关系。

        本文采用基于分离式霍普金森压杆的同步高速红外测温/高速光学非接触变形场测量实验平台，研究了绝热剪切局部化过程中载荷、变形与温度的时间关系。绝热剪切局部化过程可以通过比较载荷变化、变形过程和温度变化等重要信息来描述。研究小组使用了一个工业级纯钛材料的剪切压缩试样，描绘了试样标距截面一侧网格内衬试样的变形，并通过了最高500万帧速率。高速摄影机记录样品的变形过程。高速红外测温系统包括红外光学系统和8通道高速红外探测器。探测器响应带为1~5.5μm，响应时间小于1μs，单探头尺寸为0.15m m×0.15m m，探头间距为0.05m m。

      在材料失效分析过程中，试件的变形可分为三个阶段：（1）均匀变形；（2）不均匀变形；（3）剪切局部化。图3显示了三个阶段的变形特征。网格线的不连续性表明了剪切变形的局部化。同时，可以看出，当样品达到最大应力时，样品表面的网格线不出现间断，即不存在绝热剪切带。传统观点认为，当应力达到最大值时，试样中会出现一条绝热剪切带。材料检测结果与现有的假设相矛盾。

   研究结果显示了绝热剪切局部化时典型事件的相对关系。绝热剪切带的起始时刻发生在最大应力点之后。实验结果表明，基于热塑性失稳临界准则预测的临界剪切应变可能太小。绝热剪切带开始时的温度约为50-90°C，导致应力降为30-54MPa。同时，变形区的温度分布表明材料没有局部的热软化现象。此外，由于应变率硬化，材料的应力增加了50-60兆帕。因此，热软化效应不足以促进应力急剧下降或绝热剪切带的形成。绝热剪切带接种30μs后，温度达到最大值。温度的快速上升可以认为是绝热剪切带的形成和传播引起的。同时，通过对高速摄像机的分析，得到了变形过程，可以知道，绝热剪切带在不到10μs的时间内完全传播到整个样品，因此，较大的局部变形促进了绝热剪切带的发展，并导致局部高温。例如，绝热剪切局部化过程中的典型事件按时间顺序排列：应力峰值绝热剪切区起始绝热剪切区扩展/温升最高温度/宏观裂纹。绝热剪切带启动后的温升意味着温升不是绝热剪切带形成的原因，而是绝热剪切局部化导致温度升高。传统的绝热剪切带保温机理需要重新认识。