高純鋁拉伸型動(dòng)態(tài)破壞的臨界行為研究.pdf

1、強(qiáng)沖擊載荷作用下延性金屬材料的拉伸型損傷與力學(xué)失效是許多工程技術(shù)領(lǐng)域中的重要科學(xué)問(wèn)題。層裂(spallation)是這類問(wèn)題相關(guān)的一種典型破壞現(xiàn)象，它是在沖擊波作用下，由于相向稀疏波相互作用產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力引起材料內(nèi)部微損傷成核、長(zhǎng)大以及貫通，最后導(dǎo)致材料發(fā)生災(zāi)變式斷裂的一種物理、力學(xué)現(xiàn)象。最近，Strachan等人(Phys Rev B, 2001，63：060103)和Seppa la等人(Phys RevLett，2004,93：2

2、45503以及Phys Rev B,2005,71：064n2)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，揭示出延性金屬拉伸型動(dòng)態(tài)斷裂的損傷發(fā)展具有一定的臨界行為，即材料內(nèi)部微損傷成核、長(zhǎng)大是在演化發(fā)展到一定臨界值以后，才出現(xiàn)災(zāi)變式斷裂。王永剛(中國(guó)工程物理研究院博士學(xué)位論文，2006年)將臨界損傷斷裂的概念發(fā)展并應(yīng)用于描述宏觀樣品的層裂破壞實(shí)驗(yàn)，據(jù)此引入兩個(gè)損傷特征物理量：聚集臨界損傷度(D<,1>)和斷裂臨界損傷度(D<,1>)分別表征微孔洞之間發(fā)生

3、聚集的臨界點(diǎn)和微孔洞聚集后期誘發(fā)災(zāi)變式斷裂時(shí)的臨界點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬初步驗(yàn)證了上述兩個(gè)特征臨界損傷度可以視為一種用于表征材料拉伸型動(dòng)態(tài)斷裂性質(zhì)的材料物性常數(shù)。 本文以高純鋁(99.999％)作為延性金屬的模擬材料，在一級(jí)氣體炮上開(kāi)展了一維應(yīng)變平面沖擊波加載實(shí)驗(yàn)，通過(guò)建立一種可以在一次實(shí)驗(yàn)中對(duì)同一件樣品同時(shí)獲得加載自由面速度歷史和“軟回收”樣品的專用實(shí)驗(yàn)裝置，分析了高純鋁在不同加載條件下的損傷演化規(guī)律，定量統(tǒng)計(jì)了微孔洞的數(shù)量變

4、化和損傷分布；結(jié)合自由面速度歷史測(cè)量和細(xì)觀損傷統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從理論上對(duì)高純鋁的損傷演化規(guī)律進(jìn)行了分析討論，對(duì)延性金屬拉伸型動(dòng)態(tài)破壞的臨界行為，尤其是對(duì)損傷演化后期到斷裂災(zāi)變之前的物理過(guò)程，獲得了較深入的認(rèn)識(shí)。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下： 1．通過(guò)改變飛片擊靶速度和飛片、樣品的幾何尺寸，采用VISAR(激光速度干涉儀)技術(shù)測(cè)量了樣品自由面速度剖面，根據(jù)自由面速度剖面的振蕩特征分析了高純鋁的損傷演化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同厚度

5、的樣品中自由面速度最大值隨著沖擊速度的增加逐漸增大，表征樣品層裂的后續(xù)振蕩信號(hào)也逐漸變得明顯。當(dāng)加載應(yīng)力很小時(shí)，樣品中沒(méi)有產(chǎn)生明顯的損傷，自由面速度基本上是樣品中壓縮脈沖的反復(fù)振蕩信號(hào)；當(dāng)加載應(yīng)力增大到一定值(約1.4GPa以上)時(shí)，高純鋁內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)微損傷，使自由面速度后續(xù)波形發(fā)生明顯變化，后續(xù)振蕩也表現(xiàn)出一系列雜亂信號(hào)；當(dāng)加載應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)(約2.2GPa以上)，一種表征“層裂脈沖”的擾動(dòng)在自由面速度波剖面中出現(xiàn)，自由面速度后續(xù)波形

6、也表現(xiàn)出有規(guī)律的振蕩。與已有文獻(xiàn)的結(jié)果比較，表明高純鋁的層裂強(qiáng)度明顯比一般的商業(yè)純鋁偏高，基本上與單晶鋁的層裂強(qiáng)度一致，且隨著拉伸應(yīng)變率的增加而增大。 2．建立了層裂損傷樣品的定量金相分析方法，對(duì)經(jīng)歷了沖擊加載的高純鋁回收樣品進(jìn)行了細(xì)觀統(tǒng)計(jì)分析，討論了層裂損傷樣品內(nèi)部的微孔洞分布和損傷演化特征。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高純鋁樣品內(nèi)部，離準(zhǔn)層裂面近的地方小孔洞數(shù)目較多，出現(xiàn)的大孔洞尺寸也較大；遠(yuǎn)離準(zhǔn)層裂面處，小孔洞數(shù)目相對(duì)較少，也幾乎很少看

7、到大尺寸孔洞。定義拉伸應(yīng)力和拉伸時(shí)間的乘積為拉伸(作用)沖量，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：隨著拉伸沖量增加，樣品的損傷呈現(xiàn)明顯的臨界行為特征——當(dāng)拉伸沖量較小時(shí)，損傷以線性方式緩慢增長(zhǎng)，當(dāng)拉伸沖量足夠大，超過(guò)一定的臨界閾值以后，損傷以冪指數(shù)形式快速增長(zhǎng)。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高純鋁的拉伸沖量臨界閾值約為0.34GPa·μs。相對(duì)于Strachan等人(Phys Rev，B．2001，63：060103)和Seppala等人(Phys Rev Lett，200

8、4,93：245503 以及．Phys Rev B, 2005，71：064112)的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究結(jié)果，本文在宏觀試樣中通過(guò)定量的損傷統(tǒng)計(jì)，首次觀察和驗(yàn)證了延性金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸損傷演化的這種臨界行為。這一結(jié)果同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)的Curran、Seaman和Shockey等人[Physics Reports,147(5&6)，253-388,19871提出的微孔洞成核-長(zhǎng)大基本規(guī)律(即微孔洞的長(zhǎng)大半徑與拉伸沖量呈指數(shù)增長(zhǎng))的一種重要補(bǔ)充

9、和修正，是對(duì)損傷演化規(guī)律的一種重要認(rèn)識(shí)。 3．對(duì)動(dòng)態(tài)拉伸作用下高純鋁的損傷演化進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬。針對(duì)以往數(shù)值模擬計(jì)算中，只采用單一方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定損傷演化模型中的物理參數(shù)的不足，本文提出并采用了自由面速度剖面和損傷統(tǒng)計(jì)分布聯(lián)合確定臨界損傷度函數(shù)模型中的物理參數(shù)的方法。根據(jù)計(jì)算確定了高純鋁材料的聚集臨界損傷度D<,1>和斷裂臨界損傷度D<,1>的數(shù)值，并結(jié)合回收樣品的金相照片分析，討論了它們的物理意義，指出高純鋁材料中微

10、孔洞的聚集機(jī)理主要是源于孔洞之間的直接連通。在幾何尺度上，高純鋁中微孔洞開(kāi)始聚集時(shí)的孔洞間距約為孔洞直徑的0.74倍，發(fā)生災(zāi)變式斷裂時(shí)的孔洞間距約為孔洞直徑的0.01倍，顯示出高純鋁具有良好的延展性，層裂區(qū)內(nèi)微孔洞分布非常密集，相當(dāng)于孔洞之間幾乎挨在一起時(shí)材料才發(fā)生災(zāi)變式斷裂?；跀?shù)值模擬，論文還討論了臨界損傷度函數(shù)模型及其物理參數(shù)的普適性問(wèn)題，表明通過(guò)其中一發(fā)實(shí)驗(yàn)得到的模型參數(shù)同樣也適合于其余發(fā)(次)實(shí)驗(yàn)，因而再次驗(yàn)證了聚集臨界損傷度