热力学响应机理解析

活性毁伤材料在加载过程中，宏观与微细观尺度的热力学响应行为不同。宏观尺度的热力学响应主要表现为局部区域温升，但相较于微细观结构，该“局部”尺度则大许多。温升在微细观尺度上具有非均匀性，且对于非均匀材料或存在局部缺陷的材料，微细观尺度上的局部高温要比宏观的局部温度高很多，这也是引发活性毁伤材料发生反应的原因之一。

图6.32　三维模型仿真与实验应力-应变曲线对比

高应变率加载下，对活性毁伤材料细观尺度热力学响应的分析基于4-R细观结构仿真模型。将活性毁伤材料细观结构仿真模型压缩至塑性应变为0.5，在不同加载应变率条件下，分析材料细观结构热力学响应特征，加载速度、加载应变率及分析步长如表6.6所示。

表6.6　不同应变率对应加载速度及分析步长

不同应变率下活性毁伤材料细观结构温升如图6.33～图6.36所示。从图中可以看出，材料细观结构温升呈现显著不均匀性，温升较明显区域集中在金属颗粒之间，主要由颗粒相互之间滑移及剧烈挤压造成。温升最高点出现于距离较近的大尺寸金属颗粒之间，该部分与材料结构内部变形及应力分布规律一致。加载过程中金属颗粒未发生明显变形，内部温度未显著升高。但与金属颗粒间相比，基体温度仍然较低，压缩作用下活性毁伤材料细观结构中孔洞发生变形，逐渐压合，且在长轴两端应力集中处，温升更为显著。

此外，随加载应变率从3 000 s-1增加至10 000 s-1，材料内部温升程度与温度分布均有着不同程度的变化，但整体而言，材料内部温升速率随应变率增加而增加，材料内部所能达到的最高温度也随之升高。

图6.33　应变率为10 000 s-1时活性毁伤材料细观结构温度分布(www.xing528.com)

图6.34　应变率为8 000 s-1时活性毁伤材料细观结构温度分布

图6.35　应变率为5 000 s-1时活性毁伤材料细观结构温度分布

图6.36　应变率为3 000 s-1时活性毁伤材料细观结构温度分布

提取不同加载应变率下材料细观结构温升，可得到材料内最高温度随时间变化规律，如图6.37所示。可以看出，不同应变率下，温升均呈现先缓慢升高后快速升高的规律。随应变率从3 000 s-1升高至10 000 s-1，材料内部升温速率加快，材料发生相同塑性应变时，温升增加。此外，随着加载应变率提高，温升对应变率敏感度逐渐减弱，具体表现为，当应变率从3 000 s-1升高至5 000 s-1时，材料内最高温度及温升速率均有显著提升；但当应变率从5 000 s-1升高至10 000 s-1时，最高温度及升温速率提升均有所减小，预示随着加载应变率进一步提高，温度-时间曲线将不断接近，趋于重合。

图6.37　加载应变率对活性毁伤材料内最高温度的影响

同时，活性毁伤材料细观结构热力学响应特征与其动力学响应特征呈现一定关联性。冲击加载时，材料内部孔洞、颗粒/基体界面及金属颗粒之间均易发生挤压变形及相互作用，导致材料结构内应力分布的非均匀性。在高速率加载过程中，机械功将在绝热效应下导致材料发生局部温升，由此造成材料内温升的非均匀性，且加载速率越高，局部温升及非均匀性越显著。