韌性材料的動態(tài)碎裂特性研究.pdf

1、材料在沖擊拉伸載荷的作用下常常會斷裂成多個碎片，對材料動態(tài)碎裂機制的研究是力學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、航空航天和兵器工程等多個領(lǐng)域共同關(guān)心的重要課題。關(guān)于材料的碎裂化現(xiàn)象，一個直觀的問題是:在給定材料性能及載荷條件時，能否成功預(yù)測產(chǎn)生碎片的幾何尺寸？而更進一步的問題則是:產(chǎn)生碎片的尺寸有沒有統(tǒng)計特征？
　　 針對韌性金屬材料，Grady和Kipp將一個與斷裂能相關(guān)的內(nèi)聚力斷裂模型引入Mott卸載波傳播分析中，推導(dǎo)出了一個預(yù)測韌性材料拉伸碎

2、裂過程中產(chǎn)生碎片的平均尺度的公式。為檢驗該公式的適用性，本文利用ABAQUS/Explicit動態(tài)有限元軟件模擬了一維應(yīng)力狀態(tài)下的彈塑性金屬（45號鋼桿和TU1無氧銅膨脹環(huán)）在高應(yīng)變率拉伸變形過程中的碎裂現(xiàn)象，并研究了Grady-Kipp公式中的關(guān)鍵參數(shù)如應(yīng)變率、材料斷裂能和材料密度對碎裂過程的影響。研究結(jié)果表明:Grady-Kipp公式在廣泛的材料參數(shù)和應(yīng)變率范圍內(nèi)能較好地預(yù)測碎裂過程中產(chǎn)生的碎片的平均尺寸。
　　 為研究韌性

3、碎片的分布規(guī)律，通過對具有不同初始膨脹速度的膨脹環(huán)斷裂產(chǎn)生的碎片尺寸進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn):1）無論初始膨脹速度如何，碎片歸一化尺寸的分布具有相似性，可以用一個統(tǒng)一的具有初始閾值的Weibull分布來描述，這個分布還可以近似的簡化為Rayleigh分布:2）碎片尺寸的累積分布曲線呈現(xiàn)階梯特性，表現(xiàn)出較為明顯的“量子化”特性。建立了一個Monte-Carlo模型，概率模擬結(jié)果表明:碎片尺寸分布的階梯分布特性與初始頸縮間距的分布特性相關(guān)，初始頸縮

4、間距分布所服從的Weibull分布的寬度決定了后期碎片尺寸分布的光滑程度，頸縮間距分布的跨度越小，碎片尺寸分布的“量子化”特性越明顯。
　　 在材料制造和試件加工過程中不可避免地會引入初始缺陷，這些缺陷的空間分布往往具有一定規(guī)律。為研究初始缺陷對材料高應(yīng)變率碎裂過程的影響，本文采用有限元方法模擬了具有周期性幾何缺陷的韌性金屬圓桿在高應(yīng)變率拉伸過程中的碎裂現(xiàn)象。模擬結(jié)果表明:1）與無初始缺陷的韌性桿件相比，具有一定幅值的初始缺陷的

5、桿件在同等拉伸速度下發(fā)生斷（碎）裂的時刻一般提前:2）初始缺陷對碎片的尺寸和大小分布具有明顯影響，在一定的應(yīng)變率范圍內(nèi)，周期性缺陷完全控制了韌性材料碎裂過程中產(chǎn)生碎片的個數(shù)，可稱這個碎裂過程為“缺陷控制碎裂”:3）改變初始缺陷的空間間距和幅值，出現(xiàn)“缺陷控制碎裂”的應(yīng)變率窗口將發(fā)生明顯變化。并進一步討論了具有雙幅值和雙周期的復(fù)合缺陷對拉伸碎裂過程的影響。
　　 提出了一種基于分離式Hopkinson壓桿(SHPB)的沖擊膨脹環(huán)實

6、驗裝置，為研究材料的動態(tài)拉伸碎裂問題提供了一種簡單實用的加載方式。實驗裝置包括一個液壓腔，一側(cè)為驅(qū)動活塞，另一側(cè)為圓環(huán)試件封閉。對活塞施加軸向沖擊，利用液體體積近似不可壓縮的特性，通過液壓腔截面積的大比例縮小，將較低速度的對活塞沖擊轉(zhuǎn)化為高速的圓環(huán)試件沿徑向膨脹，從而驅(qū)動試件發(fā)生拉伸變形直至斷（碎）裂。利用此沖擊膨脹環(huán)實驗技術(shù)，獲得了韌性金屬環(huán)在不同速度下的碎裂結(jié)果。斷口分析表明韌性金屬環(huán)斷口均是由周向拉伸應(yīng)力拉伸斷裂而成。隨著子彈撞擊

7、速度增大，韌性金屬的表觀斷裂應(yīng)變呈增加的趨勢，碎裂產(chǎn)生的碎片尺度呈減小趨勢。
　　 采用理論方法分析了剛-理想塑性材料中，多個等間距裂紋同時開動時的卸載波（Mott波）傳播、以及裂紋之間材料的卸載過程。模擬分析了中間位置包含缺陷的一維彈塑性桿的高應(yīng)力率拉伸下的碎裂過程，計算結(jié)果顯示初始長度和碎裂時間之間關(guān)系呈U型關(guān)系，即存在一個最優(yōu)裂紋間距，對應(yīng)于最快的裂紋體卸載過程。而最優(yōu)裂紋間距的位置均落于Grady-Kipp公式給出的韌性

8、碎片尺寸分布附近，即Grady-Kipp等給出的韌性材料碎片尺寸恰好對應(yīng)著最快速卸載原理。
　　 數(shù)值方法模擬了二維彈塑性平板在高應(yīng)變率拉伸過程中的碎裂現(xiàn)象，通過對碎裂過程產(chǎn)生碎片的平均尺度的分析來驗證Grady二維韌性碎裂尺度公式的適用性。模擬結(jié)果表明，Grady推廣的二維碎片尺度公式顯著高估了碎片尺度，理論碎片面積值約為數(shù)值實驗結(jié)果4～5倍。相對一維情況下，二維碎裂過程中兩軸的拉伸載荷使得頸縮發(fā)展歷程較短，材料提前斷裂，從而