高純鋁拉伸型動態(tài)破壞的臨界行為研究.pdf

1、強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)問題。層裂(spallation)是這類問題相關(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)通過分子動力學(xué)模擬研究，揭示出延性金屬拉伸型動態(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驗，據(jù)此引入兩個損傷特征物理量：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、聚集的臨界點和微孔洞聚集后期誘發(fā)災(zāi)變式斷裂時的臨界點，通過實驗與數(shù)值模擬初步驗證了上述兩個特征臨界損傷度可以視為一種用于表征材料拉伸型動態(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，在一級氣體炮上開展了一維應(yīng)變平面沖擊波加載實驗，通過建立一種可以在一次實驗中對同一件樣品同時獲得加載自由面速度歷史和“軟回收”樣品的專用實驗裝置，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量和細觀損傷統(tǒng)計的實驗結(jié)果，從理論上對高純鋁的損傷演化規(guī)律進行了分析討論，對延性金屬拉伸型動態(tài)破壞的臨界行為，尤其是對損傷演化后期到斷裂災(zāi)變之前的物理過程，獲得了較深入的認識。論文的主要工作和創(chuàng)新點歸納如下： 1．通過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。實驗結(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)振蕩信號也逐漸變得明顯。當加載應(yīng)力很小時，樣品中沒有產(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；當加載應(yīng)力增大到一定值(約1.4GPa以上)時，高純鋁內(nèi)部就會出現(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；當加載應(yīng)力進一步加強(約2.2GPa以上)，一種表征“層裂脈沖”的擾動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。與已有文獻的結(jié)果比較，表明高純鋁的層裂強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，對經(jīng)歷了沖擊加載的高純鋁回收樣品進行了細觀統(tǒng)計分析，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)計結(jié)果表明，高純鋁樣品內(nèi)部，離準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；遠離準層裂面處，小孔洞數(shù)目相對較少，也幾乎很少看

7、到大尺寸孔洞。定義拉伸應(yīng)力和拉伸時間的乘積為拉伸(作用)沖量，統(tǒng)計發(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——當拉伸沖量較小時，損傷以線性方式緩慢增長，當拉伸沖量足夠大，超過一定的臨界閾值以后，損傷以冪指數(shù)形式快速增長。初步實驗結(jié)果表明，高純鋁的拉伸沖量臨界閾值約為0.34GPa·μs。相對于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)的分子動力學(xué)模擬研究結(jié)果，本文在宏觀試樣中通過定量的損傷統(tǒng)計，首次觀察和驗證了延性金屬材料動態(tài)拉伸損傷演化的這種臨界行為。這一結(jié)果同時也是對傳統(tǒng)的Curran、Seaman和Shockey等人[Physics Reports,147(5&6)，253-388,19871提出的微孔洞成核-長大基本規(guī)律(即微孔洞的長大半徑與拉伸沖量呈指數(shù)增長)的一種重要補充

9、和修正，是對損傷演化規(guī)律的一種重要認識。 3．對動態(tài)拉伸作用下高純鋁的損傷演化進行了理論分析和數(shù)值模擬。針對以往數(shù)值模擬計算中，只采用單一方面的實驗數(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，高純鋁中微孔洞開始聚集時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，相當于孔洞之間幾乎挨在一起時材料才發(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)的普適性問題，表明通過其中一發(fā)實驗得到的模型參數(shù)同樣也適合于其余發(fā)(次)實驗，因而再次驗證了聚集臨界損傷度