相变应力波

本书是作者团队在7个国家自然科学基金项目的连续资助下，历经二十余年，系统开展了冲击相变理论和实验研究成果的基础上，凝练总结而成，主要涉及应力波的新分支：相变应力波。由于相变能强烈改变材料的力学性质和应力波传播特性，对于材料和工程结构的响应和破坏特性具有显著影响，其机理和规律不同于传统弹塑性波。相变对工业生产、加工、新材料合成、国防工程、武器效应，也具有很高的应用价值，因此，本书具有重要的参考价值。

序
前言
第1章绪论1
1.1固体中的应力波1
1.2材料的冲击相变2
1.3冲击相变本构模型2
1.4相变应力波3
1.5内容安排5
第2章应力波和相变热力学基础7
2.1概述7
2.2物质坐标和空间坐标8
2.3一维应力控制方程10
2.3.1微分型控制方程10
2.3.2间断面守恒方程10
2.4一维应变控制方程11
2.4.1一维应变下的应力–应变约定11
2.4.2一维应变守恒方程12
2.4.3间断条件和冲击绝热线12
2.5相、相变及其分类16
2.6相变的热力学关系18
2.7高压冲击相变的R-H线22
2.8相变速率方程25
2.9附录：热力学势函数29
第3章冲击相变本构模型31
3.1相变本构模型概述31
3.2Hayes冲击相变热力学模型32
3.2.1冲击相变热力学模型32
3.2.2相变速率演化方程35
3.2.3Hayes冲击相变模型的讨论35
3.3考虑静水压和偏应力共同作用的相变临界准则37
3.3.1简介37
3.3.2“应力诱发”相变临界准则39
3.3.3“形变诱发”相变临界准则41
3.3.4逆相变临界准则43
3.4冲击下“应力诱发”相变的三维本构模型45
3.4.1N相系统中“应力诱发”相变的临界准则45
3.4.2“应力诱发”混合相变形过程的描述47
3.4.3“应力诱发”相变的演化方程52
3.4.4“应力诱发”相变本构的一维形式53
3.5冲击下“形变诱发”相变的三维本构模型55
3.6一维简化型唯象热弹性冲击相变模型57
3.6.1典型一维热弹性马氏体相变的应力–应变曲线57
3.6.2一维简化热弹性相变模型59
第4章一维半无限介质中相变波的传播63
4.1一维相变波概述63
4.2一级热弹性可逆相变介质中的相变波64
4.2.1不同类型间断面和基本作用64
4.2.2半无限介质中一维可逆相变波的传播71
4.3弱间断加卸载条件下一维相变波的传播74
4.3.1连续加卸载条件下的弱间断相边界74
4.3.2高于相变完成应力的连续加卸载滞回条件下相变波的传播75
4.4不可逆相变材料中的相变波和梯度材料的形成76
4.4.1强间断加卸载条件下相变波传播的解析解77
4.4.2连续卸载条件下相变波传播的数值方法78
4.4.3连续卸载条件下梯度材料形成的分析80
4.5二级相变材料中相变波的传播86
4.5.1二级相变波86
4.5.2二级相变波传播的一般规律88
4.5.3外场作用下二级相变和一级相变的互相转化89
第5章一维有限介质中相变波的传播规律及其应用93
5.1可逆相变材料中波在边界的反射图谱93
5.1.1可逆相变材料中波在自由面的反射93
5.1.2可逆相变材料中波在固定端的反射94
5.2矩形脉冲载荷下可逆相变有限介质中相变波的传播96
5.2.1右端为自由面的有限介质中相变波的传播96
5.2.2右端为固定端的有限介质中宏观相变波的传播103
5.3不可逆相变材料中波在界面的反射106
5.3.1自由面的反射106
5.3.2固定端的反射107
5.4动载下不可逆相变波在有限杆中的传播108
5.4.1矩形脉冲加载下不可逆有限杆中相变波的传播108
5.4.2突加载荷连续卸载下不可逆有限杆中梯度材料的形成110
5.5相变引起金属靶板异常层裂的应力波分析113
5.5.1传统层裂和“相变层裂”113
5.5.2纯铁DT2和FeMnNi合金层裂实验结果简介114
5.5.3本构模型和简化假定117
5.5.4冲击相变对纯铁异常层裂影响的应力波分析119
5.5.5FeMnNi合金120
5.6相变材料等厚对称碰撞的层裂规律探索122
5.6.1FeMnNi材料等厚对称高速碰撞实验122
5.6.2FeMnNi合金等厚对称碰撞的相变层裂规律探索124
5.7脉冲载荷下半无限相变杆（板）的异常反向层裂现象127
5.7.1弹塑性半无限长杆受脉冲加载下的应力波响应127
5.7.2半无限相变杆（板）中的异常反向层裂127
5.8有限杆中不可逆相变波传播理论的应用129
5.8.1相变Taylor杆实验129
5.8.2实验结果与分析129
第6章温度对相变波传播的影响133
6.1实验装置和瞬态测温原理133
6.1.1红外测温基本原理和装置134
6.1.2温度标定和检验135
6.2冲击下NiTi合金温度变化规律的实验研究137
6.2.1试样和标定137
6.2.2实验结果和分析138
6.3相变波和温度界面的基本相互作用140
6.3.1控制方程140
6.3.2波系与温度界面的基本作用141
6.3.3波系与温度界面作用的实验测试148
6.4相变波在温度梯度杆中的传播153
6.4.1相变模型和基本方程153
6.4.2具有单一固定温度界面杆中相变波传播的解析解154
6.4.3温度梯度材料中相变波传播的数值方法155
6.4.4温度梯度递增分布时的SME杆中相变波的传播160
6.4.5SME杆温度递减分布时入射弹性波的传播和演化168
6.5热力耦合作用下相变波的传播173
6.5.1相变过程中的热效应174
6.5.2相变波区域温度场的分布182
6.5.3考虑热效应时相变波的传播187
第7章一维薄壁管中拉（压）扭复合应力下的耦合相变波理论194
7.1引言194
7.2基本方程195
7.2.1守恒方程195
7.2.2混合相区的增量型本构方程195
7.3复合应力加载下混合相区的耦合相变波理论199
7.4混合相区耦合快波和慢波应力路径的分区特性203
7.5薄壁管中耦合相变波的典型加载路径和波形205
7.5.1典型路径1：突加扭转剪应力至混合相区205
7.5.2典型路径2：预扭至混合相区再突加压扭载荷206
7.5.3典型路径3：预扭至混合相区再突加拉扭载荷207
7.6耦合相变冲击波理论208
7.6.1耦合相变冲击波假设208
7.6.2广义雨贡钮方程209
7.6.3不同加载条件下的耦合相变冲击波211
7.7耦合相变冲击波的数值模拟215
7.7.1数值模拟理论215
7.7.2材料参数和初始条件216
7.7.3终态位于区域3的模拟结果217
7.7.4模拟解和理论解的比较222
第8章耦合相变波的薄壁管实验224
8.1引言224
8.2薄壁管压扭复合加载实验方法和原理224
8.3率相关弹塑性薄壁管中的复合应力波227
8.3.1钢管中的典型实验信号227
8.3.2材料的几种动态弹塑性本构模型229
8.3.3模型预测和实验波形的对比231
8.4NiTi合金薄壁管中的复合应力相变波232
8.4.1预扭–纵向冲击实验的设计和信号预测232
8.4.2NiTi管压扭复合冲击加载实验和初步结果236
8.5拉扭复合加载技术240
8.5.1实验原理240
8.5.2实验装置240
8.6304不锈钢管的预扭冲击拉伸实验241
8.6.1纯冲击拉伸实验241
8.6.2预扭冲击拉伸实验242
8.7NiTi薄壁管中拉扭耦合相变波的实验研究243
8.7.1NiTi合金薄壁管的纯冲击拉伸实验243
8.7.2NiTi薄壁管的预扭–冲击拉伸实验244
8.8NiTi合金薄壁管预扭冲击拉伸的数值模拟245
8.9小结246
第9章一维应变压剪复合加载下的相变波理论248
9.1基本方程248
9.1.1守恒方程248
9.1.2本构方程249
9.2混合相的特征波速解的理论推导251
9.3典型的波系结构讨论255
9.3.1相变临界条件255
9.3.2相变临界条件为椭圆257
9.3.3相变临界面交线为双曲线259
9.3.4拉压不对称系数为0260
9.4Escobar等的NiTi合金压剪复合冲击实验262
9.5实验结果的进一步分析264
9.6拉压不对称条件下反射波对剪切信号的影响265
9.6.1分类265
9.6.2类型一268
9.6.3类型二270
9.6.4类型三271
9.6.5类型四272
9.7综合两次实验考虑α的范围273
第10章压剪复合冲击下材料近界面的剪切失效及机制276
10.1引言276
10.2聚合物试件压剪冲击实验以及剪切波衰减现象277
10.2.1压剪实验构型及测量原理277
10.2.2聚合物试件中的剪切波衰减现象280
10.3回收试样的显微观测和剪切失效物理机制的探讨282
10.3.1偏光显微镜原理简介282
10.3.2尼龙66的横向失效细观分析283
10.3.3聚丙烯的横向失效细观分析285
10.4理想弹塑性近似时的压剪复合波的解析解286
10.4.1简介286
10.4.2理论推导287
10.5压剪复合加载过程中剪切波衰减的力学机制294
10.6讨论299
第11章横向冲击下梁中相变弯曲波的传播304
11.1引言304
11.2半无限长梁弹塑性弯曲波理论简介304
11.2.1基本假定和方程305
11.2.2弹性弯曲波307
11.2.3塑性弯曲波309
11.3矩形截面伪弹性（PE）梁的弯矩–曲率相变模型313
11.3.1PE材料相变本构模型的简化313
11.3.2PE梁弯曲变形假定314
11.3.3PE梁截面内应力–应变分布和相边界的运动315
11.3.4PE梁的弯矩–曲率关系317
11.4有限元计算方法简介319
11.4.1几何模型与加载条件319
11.4.2后处理319
11.5半无限梁中弹性弯曲波的传播320
11.5.1弥散特性320
11.5.2弹性弯曲波是不断发展的320
11.5.3弹性弯曲波的波速321
11.5.4弹性弯曲波随载荷幅值的变化322
11.6半无限梁中相变弯曲波的产生与传播323
11.6.1相变弯曲波的形成323
11.6.2相变弯曲波的发展323
11.6.3相变弯曲波随载荷幅值的变化.326
11.6.4材料进入2相弹性后的弯曲波的传播327
11.7有限长梁（悬臂梁）中相变弯曲波的传播329
11.7.1弹性弯曲波在固定端的反射329
11.7.2端面反射与相变弯曲波的相互作用330
11.7.32相弹性的影响331
11.8矩形脉冲作用下半无限长梁中相变弯曲波的卸载行为332
11.8.1弹性阶段卸载可能发生相变332
11.8.2相变弯曲波的卸载过程334
11.9矩形脉冲作用下悬臂梁中相变弯曲波受到的复杂作用335
11.10伪弹性PE悬臂梁的横向冲击实验装置和测试方法336
11.11打击PE悬臂梁自由端的横向冲击实验337
11.11.1典型结果337
11.11.2撞击早期PE梁中应力波的传播339
11.11.3根部相变铰的形成和梁的响应341
11.12打击PE梁1/3处时的典型实验结果344
11.12.1高速CCD记录的梁的总体运动与变形344
11.12.2早期相变弯曲波的传播345
11.12.3相变铰的演化与梁的运动347
11.13打击PE梁1/3处实验的数值模拟348
11.13.1模拟实验参数和材料模型348
11.13.2早期相变弯曲波的形成和传播348
11.13.3梁摆动至优选挠度过程中相变铰的发展和演化350
参考文献353