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,AA7055铝合金材料性能摘要

7055铝合金是目前最先进的商用高强高韧铝合金，具备极高的强度、较好的韧性以及良好的抗应力

腐蚀性，具有广泛的应用前景。材料在复杂的服役环境中可能受到各种不同载荷的作用，对材料在不

同加载条件下力学行为的研究是完善材料开发、应用以及进行新材料及结

构设计的基础。目前，国内对7055铝合金的研究尚处于起步阶段，对于这类新型高性能铝

合金在不同加载条件下的力学行为研究仍然十分匮乏，同时，目前也没有一个被广泛接受的

本构模型能对该类材料在大的温度和应变率范围内力学行为进行准确描述。另外，作为目前

研究材料动态力学行为最为常用的实验设备--分离式霍普金森压杆(SHPB和分离式霍普

金森拉杆(SHTB，在实验方法和实验技术上尚未形成完善、统一的标准，有待进一步的研究和发展，

譬如SHPB实验中实现预定应变率的实验参数选取问题，以及SHTB实验中的试样

连接方式等。

基于以上背景，本文首先针对SHPE和SHTB实验方法开展了研究和改进工作；然后，较为系

统地研究了美国铝业公司生产的AA7055-T77铝合金在不同温度和应变率下的力学性能及

行为，结合微观组织分析对其部分机理进行了初步研究，根据实验结果对Johnson-Cook本

构模型进行了修正，并对本构模型的适用性进行了检验和讨论；最后，为评估AA7055铝

合金的高速撞击特性，对AA7055铝合金和参考材料在高速撞击下的厚板成坑行为进行了研究和对

比分析。本文主要的研究内容如下：

第一，基于一维应力波理论推导出一个应变率预估公式，以预估公式为核心，提出了一种可

方便实现预定应变率的SHPB实验方案设计方法，并通过数值仿真与实验对该方法进行了演

示和验证。

第二，设计了一种用于SHTB装置的楔形卡口式试样连接方式，并通过数值仿真及实验测试

证明了这种卡口式连接方式是有效可行的。

第三，利用Gleeble热模拟试验机对AA7055铝合金在不同温度下的低应变率单轴压缩性能进行了测

试，温度范围为300~750K,加载应变率分别为0.0005s-1、0.01s-1和1s-1；利用SHP敢改进试样

连接方式的SHTB装置对其在常温下的动态压缩性能和动态拉伸性能进行了研究，应变率测试范围

为：动态压缩时900~5000s-1，动态拉伸时500~1600s-1;获得了

AA7055铝合金在以上加载条件下的应力应变关系和力学行为。

第四，基于AA7055铝合金的实验结果，提出了一个包含临界转变温度

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

的温度效应附加函数、一个耦合温度的应变率效应函数和一个包含有效应变的分段应变硬化函数，综

合以上结果，提出了一个具有上述特征的修正Johnson-Cook模型。利用该修正模

型对7050-T7451铝合金在较大的温度和应变率范围内的流动应力进行了预测，得到的结果与实验结

果符合的较好；同时，该修正模型高温下简化形式对AA7055铝合金在本文研究

范围内的流动应力预测结果与实验结果符合得较好，得到的结果均优于Johnson-Cook模型。

说明本文提出的修正Johnson-Cook模型对于铝合金材料具有较好的适用性。

第五，对45%体积分数SiCp/2024Al复合材料、2024铝合金及2A12铝合金也进行了部分测试，

获得了这3种参考材料的部分力学性能和材料参数。参考材料的实验结果以及文献中的实验数据表

明，本文提出的温度效应附加函数同样适用于参考材料以及部分其它材料。

第六，在单次动