氧化鋁陶瓷沖擊壓縮損傷及殘余強度實驗研究.pdf

1、由于具有良好的物理和力學(xué)性能，陶瓷材料成為一種常用的輕質(zhì)裝甲防護材料。作為典型的脆性材料，陶瓷對變形具有高度敏感性，在強動載荷下具有完全不同于延性金屬材料的損傷、破壞行為和物理、力學(xué)響應(yīng)特性。高硬度和脆性的特點往往使陶瓷在撞擊過程中因材料嚴(yán)重?fù)p傷而斷裂或粉碎，而損傷和破壞區(qū)的狀態(tài)直接影響其防護（抗侵徹）性能。深入研究陶瓷材料在沖擊壓縮下的動態(tài)行為和損傷破壞特性具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。
　　本論文以AD95陶瓷為研究對象，采用

2、實驗研究和理論分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了氧化鋁陶瓷在不同沖擊加載應(yīng)力區(qū)間和加載應(yīng)力狀態(tài)的壓縮損傷特性和殘余強度，分析和討論了其與加載條件和材料特性的關(guān)系，探索并建立了沖擊壓縮損傷狀態(tài)和程度的表征方法。研究結(jié)果表明，AD95多晶氧化鋁陶瓷:(a)存在小于HEL的壓縮損傷閾值應(yīng)力，當(dāng)沖擊加載應(yīng)力小于閾值應(yīng)力時，不發(fā)生壓縮損傷，材料的層裂強度隨加載應(yīng)力的增加逐漸增大;(b)當(dāng)加載應(yīng)力大于閾值應(yīng)力但小于HEL時，發(fā)生一定程度的壓縮損傷，材料

3、殘余的層裂強度快速降低，在加載應(yīng)力達(dá)到HEL時，完全喪失層裂強度;(c)當(dāng)加載應(yīng)力大于HEL時，材料發(fā)生相對于壓應(yīng)力的等效損傷，導(dǎo)致雨貢紐狀態(tài)的高壓聲速和有效剪切模量逐漸降低;(d)當(dāng)加載應(yīng)力大于約40 GPa時，材料發(fā)生嚴(yán)重的等效損傷，處于類流體狀態(tài)，但是可能由于壓應(yīng)力作用下破碎顆粒之間的摩擦效應(yīng)，材料仍然具有一定的表觀強度，表現(xiàn)為高壓聲速雖然降低但不退化為體波聲速，有效剪切模量也降低但不降到零。
　　具體開展的研究內(nèi)容和得出的

4、主要結(jié)論如下:
　　（一）低壓區(qū)的沖擊壓縮損傷研究
　　開展了低壓沖擊壓縮損傷之破壞波實驗，方法是:采用一級輕氣炮加速足夠厚的無氧銅飛片，撞擊AD95陶瓷樣品，采用VISAR技術(shù)測量樣品在一維應(yīng)變沖擊壓縮下的自由面粒子速度剖面，然后通過速度剖面的特征分析并結(jié)合斷裂和損傷力學(xué)理論分析，對是否存在破壞波的現(xiàn)象、規(guī)律和機理進行了深入研究。
　　(1)AD95陶瓷材料在小于和略大于HEL的一維應(yīng)變沖擊壓縮下，自由面速度剖面中都

5、未出現(xiàn)類似于玻璃和巖石中的表征破壞波現(xiàn)象的二次加載信號，即未發(fā)現(xiàn)滯后于沖擊波陣面?zhèn)鞑サ穆曌杩姑黠@降低的嚴(yán)重?fù)p傷和破碎界面。
　　(2)樣品自由面速度剖面特征分析表明，理論計算得到的特征點時間差規(guī)律性地小于實驗值，而且即使加載應(yīng)力小于HEL速度上升前沿也具有一定彌散特征，表明在所討論的沖擊加載應(yīng)力范圍內(nèi)（即使在HEL以下）AD95陶瓷材料存在一定程度的輕微壓縮損傷。
　　(3)斷裂力學(xué)理論分析表明，微裂紋擴展相關(guān)的壓縮損傷過程

6、，除了與加載應(yīng)力和加載作用時間等外在因素相關(guān)以外，還與材料的斷裂韌性和細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素直接相關(guān)。首先，斷裂韌性相對較低，沖擊波加載下易于形成大量微裂紋擴展和貫通，使材料發(fā)生“粉碎性”的嚴(yán)重破壞，是產(chǎn)生破壞波現(xiàn)象的前提條件。其次，體內(nèi)微裂紋的構(gòu)形和分布，可能是影響材料是否存在破壞波現(xiàn)象以及破壞波形式的重要因素。
　　（二）低壓區(qū)的殘余強度——層裂研究
　　開展了低壓區(qū)層裂強度及其變化的實驗研究，方法是:采用一級輕氣炮加速

7、較薄的飛片，撞擊相對較厚的AD95陶瓷樣品，采用DISAR技術(shù)測量樣品自由面或樣品/窗口界面的粒子速度剖面，然后根據(jù)速度剖面的特征并結(jié)合波系分析，確定樣品在沖擊壓縮后殘余的層裂強度及其變化，研究沖擊壓縮損傷特性及程度隨加載應(yīng)力的變化關(guān)系。
　　(1) AD95陶瓷在沖擊壓縮后殘余的層裂強度隨沖擊加載應(yīng)力的變化關(guān)系為:σspall={0.05σ+0.29(0 GPa≤σ≤3.7 GPa)——未發(fā)生壓縮損傷-0.27σ+1.47(3.

8、7 GPa＜σ≤5.5 GPa)——發(fā)生輕微壓縮損傷0(σ＞5.5 GPa=HEL)——發(fā)生一定程度壓縮損傷
　　(2)確定了AD95陶瓷發(fā)生沖擊壓縮損傷的加載應(yīng)力閾值約為3.7 GPa，小于材料的HEL(約5.5 GPa)，表明AD95陶瓷在小于HEL的沖擊波加載下發(fā)生了一定程度的輕微壓縮損傷，證明了多晶氧化鋁陶瓷材料的HEL不是發(fā)生壓縮損傷的臨界點。
　　(3)發(fā)生沖擊壓縮損傷之后，損傷程度隨加載應(yīng)力的增大逐漸增加，加載

9、應(yīng)力達(dá)到HEL時，AD95陶瓷完全喪失層裂強度，表明材料發(fā)生了相對于拉應(yīng)力而言的“嚴(yán)重”壓縮損傷。由于拉應(yīng)力對損傷過于敏感，總體來講，此時的損傷程度并非真的十分嚴(yán)重，只是已經(jīng)不能通過層裂強度的變化來表征了。另外，加載應(yīng)力大于閾值應(yīng)力之后，層裂強度的分散性增大，從另一個側(cè)面體現(xiàn)樣品內(nèi)的確發(fā)生了一定程度的壓縮損傷。
　　(4)斷裂力學(xué)理論分析表明:沖擊加載應(yīng)力小于3.5 GPa時，應(yīng)力強度因子總體上小于材料的斷裂韌性，樣品內(nèi)的微裂紋基

10、本不擴展，即樣品不發(fā)生壓縮損傷;加載應(yīng)力在3.5～3.8 GPa時，開始出現(xiàn)應(yīng)力強度因子與斷裂韌性的分散范圍重疊，表明樣品內(nèi)的部分微裂紋發(fā)生擴展，開始出現(xiàn)壓縮損傷，這與通過層裂強度變化給出的約3.7 GPa的壓縮損傷閾值應(yīng)力結(jié)果完全相符;隨著加載應(yīng)力進一步增大，壓縮損傷程度不斷增加，加載應(yīng)力達(dá)到HEL及其以上時，應(yīng)力強度因子總體上大于斷裂韌性，表明樣品內(nèi)的大量微裂紋將擴展，材料達(dá)到比較嚴(yán)重的壓縮損傷狀態(tài)，這也與層裂強度變化表征的壓縮損傷

11、特性完全吻合。
　　(5)層裂強度變化表征的沖擊壓縮損傷特性和斷裂力學(xué)理論分析結(jié)果，從損傷程度和傳播時序兩方面都很好地支持和解釋了AD95陶瓷材料觀測不到破壞波現(xiàn)象的觀點。
　?。ㄈ└邏簠^(qū)的沖擊壓縮損傷研究
　　采用正向撞擊法和逆向撞擊法兩種實驗方法，在二級輕氣炮上開展了AD95陶瓷材料經(jīng)過沖擊壓縮后的高壓聲速和卸載路徑測量實驗。采用“加窗”的激光干涉測速技術(shù)(DISAR)，測量了陶瓷樣品和LiF窗口之間的界面在加載

12、和卸載整個過程中的粒子速度剖面，進而計算得到了陶瓷樣品在雨貢紐狀態(tài)和卸載過程中的高壓聲速，并得到了卸載路徑。通過對卸載特征和機理的分析，以及經(jīng)過沖擊壓縮后樣品的高壓聲速隨加載應(yīng)力的變化關(guān)系分析，對AD95陶瓷在相對較高強度沖擊加載下的壓縮損傷狀態(tài)和程度進行了表征。
　　(1)AD95陶瓷具有與延性金屬材料明顯不同的卸載特征:首先，卸載過程是一個連續(xù)的緩變過程，不存在明顯的彈性卸載和塑性卸載的拐點;其次，與延性金屬材料不同加載應(yīng)力下

13、的塑性卸載段幾乎匯聚到一起不同，AD95陶瓷的非彈性卸載段相互存在一定間距;而且，沿著卸載路徑的應(yīng)力-工程應(yīng)變關(guān)系明顯偏離雨貢紐線。這些獨特的卸載過程特征，體現(xiàn)了AD95陶瓷與延性金屬完全不同的卸載機制，我們推測其卸載過程是壓應(yīng)力作用下破碎顆粒對卸載應(yīng)力波的響應(yīng)，蘊含著加載過程中的壓縮損傷信息。
　　(2)提出了等效損傷概念，認(rèn)為高壓聲速的降低由等效損傷程度造成。根據(jù)氧化鋁陶瓷高壓聲速隨沖擊加載應(yīng)力的變化關(guān)系得出結(jié)論:當(dāng)加載應(yīng)力較

14、低時（小于HEL），實測的雨貢紐狀態(tài)高壓聲速基本沿著無損傷材料的理論縱波聲速線，表明材料未發(fā)生等效損傷或等效損傷程度較輕;當(dāng)加載應(yīng)力大于HEL后，雨貢紐狀態(tài)高壓聲速逐漸低于理論縱波聲速，表明發(fā)生了等效損傷;隨著加載應(yīng)力提高，雨貢紐狀態(tài)高壓聲速相對于理論縱波聲速不斷降低，具有逐漸靠近理論體波聲速的趨勢，表明等效損傷程度不斷增加;當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到30～40 GPa之后，雨貢紐狀態(tài)高壓聲速不再趨于理論體波聲速，而是近乎平行并高于理論體波聲速線，

15、表明材料的剪切模量和橫波聲速并不降低到零，未發(fā)生總體沖擊熔化，材料仍然具有一定表觀強度，這種材料嚴(yán)重?fù)p傷后仍然具有的表觀強度，可能是由壓應(yīng)力作用下破碎顆粒之間的摩擦效應(yīng)造成的。
　　(3)基于高壓聲速相對降低率定義了等效損傷度D=(Cl-ClH)/(Cl-Cb)，建立了AD95陶瓷的等效損傷度隨沖擊加載應(yīng)力的變化關(guān)系，具有明顯的“S”形變化的特征:沖擊加載應(yīng)力小于HEL時，D≈0，表明對壓應(yīng)力而言相當(dāng)于未發(fā)生等效損傷;加載應(yīng)力大于

16、HEL之后，D值逐漸增大，逐漸開始發(fā)生等效損傷;之后，隨著加載應(yīng)力的提高D快速增長，表明此階段損傷發(fā)展較快;當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到30～40 GPa以上時，D的增長速度明顯放緩，基本穩(wěn)定在0.67附近，表明材料已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的等效損傷，但是未發(fā)生整體沖擊熔化，仍然具有一定強度。
　　(4)AD95陶瓷高壓聲速實驗的斷裂力學(xué)理論分析表明:加載應(yīng)力在HEL附近，應(yīng)力強度因子總體上略大于斷裂韌性，表明樣品將發(fā)生一定程度的微裂紋擴展;加載應(yīng)力進一

17、步增加，應(yīng)力強度因子不斷增大，其相對于斷裂韌性的差值不斷增大，材料內(nèi)部參與成核和擴展的微裂紋數(shù)也會不斷增加，導(dǎo)致材料的損傷和破壞程度不斷加重。
　　(5)根據(jù)本論文的研究結(jié)果并結(jié)合Chen和Bourne等人[11，12，19]的研究結(jié)論，對多晶氧化鋁陶瓷等脆性材料的HEL物理內(nèi)涵有了更深入的認(rèn)識:HEL不是彈性和塑性形變的轉(zhuǎn)變點，也不是發(fā)生沖擊壓縮損傷的臨界點，而是發(fā)生能夠?qū)嚎s應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力波傳播產(chǎn)生響應(yīng)和影響的沖擊壓縮損傷的