一维应变条件下金属层裂的实验研究

材料的层裂是由两个相向的拉伸应力作用引起材料断裂的一种现象，是一个被普遍关注的力学问题。本文中主要对层裂研究的意义、历史和现状，一维应变条件下层裂的原因、表征、加载方式及测试技术等问题进行了综述，并讨论了影响层裂强度的几种主要因素。     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

预应力对LY12铝层裂强度的影响

通过过盈配合的热装配方法和机械夹紧方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应变,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对层裂特性的影响。结果表明:当飞片以500 m/s的速度撞击样品,预应变为0（无预应变）、25110-6、1 10810-6、1 88610-6时,层裂强度分别为1.130、0.935、0.755、0.643 GPa,初始预应力（变）明显降低了LY12铝层裂强度,证实了材料的层裂强度与初始应力状态密切相关,可为以后的非一维平面应变下的层裂研究提供参考。     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

通过对球面飞片加载条件下的应力/应变状态分析表明采用施加径向应变方法可以近似模拟球面加载的受力过程. 采用过盈配合的热装配方法对平面样品施加了径向预应变,一维平面应变气炮实验结果显示初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度. 从空洞长大基本原理出发分析了各向异性受力条件下空洞长大的路径和所消耗能量不同于各向同性应力加载.通过数值模拟对含损伤的材料本构模型进行分析,得到了材料层裂强度与其外部宏观应力场密切相关,也间接的与构型相关的结论.      

一种基于空穴聚集的层裂模型

基于如下假设，给出了层裂过程中的应力松弛方程，并建立了一种基于空穴聚集的延性层裂模型:在层裂早期，微空穴的主要效应是减小应力作用面积；在层裂后期，应力按空穴聚集时的应力-空隙度依赖关系减小。把P.F.Thomason、D.L.Tonks等及S.Cochran等给出的依赖于应力（压力）的层裂空隙度方程分别耦合于守恒方程、计及损伤的状态方程及本构方程，建立了求解所有变量包括损伤的封闭方程组。这种基于空穴聚集的层裂模型已被应用于一维层裂试验的数值模拟。模型中的层裂强度及临界损伤度初始可以估计，最终的确定将使数值模拟结果与实测的速度（或应力）剖面以及观测的层裂面上的损伤基本一致。分别基于D.L.Tonk等及S.Cochran等给出的依赖于压力的层裂空隙度方程所作的一维层裂试验数值模拟结果基本一致，而与基于P.F.Thomason给出的依赖于应力的层裂空隙度方程所作的相应数值模拟结果有明显差异。     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。     

拉伸应变率对20钢层裂特性的影响

采用轻气炮加载技术和激光速度干涉(VISAR)测速技术相结合,对不同拉伸应变率条件下20钢的层裂特性进行了实验研究。通过改变飞片和样品的几何尺寸来调整拉伸应变率的大小,研究了拉伸应变率对20钢层裂强度的影响。实验的拉伸应变率的变化范围为104~106 s-1,最大拉伸应变率接近激光加载所能产生的拉伸应变率,相比激光加载,薄飞片技术容易保证一维应变条件。实验结果显示20钢的层裂特性明显依赖着拉伸应变率的大小,106 s-1条件下层裂强度比104 s-1时提高近70%。基于对数值计算结果的分析,讨论了影响层裂强度的主要外载荷因素。     

激光选区熔化增材制造GP1不锈钢动态拉伸力学响应与层裂破坏

采用选择性激光熔化增材制造技术,制备了GP1不锈钢单轴拉伸板条试样和层裂圆片试样,并对材料微观结构进行了表征。借助Zwick-HTM5020高速拉伸试验机,并结合数字图像相关性全场应变测量技术,开展了增材制造GP1不锈钢材料的轴向拉伸力学性能实验研究,得到了不同应变率下材料的拉伸应力-应变曲线,结果显示:(1)GP1不锈钢流动应力具有比较显著的应变强化效应;(2)通过回收试样的电子背散射衍射表征,发现GP1不锈钢在拉伸变形过程中会发生奥氏体与马氏体之间的相变;(3)GP1不锈钢的屈服应力随着应变率呈幂指数增大,断裂应变在中低应变率下保持不变,但在高应变率下则显著减小。采用一级轻气炮实验装置和激光干涉粒子速度测量技术,开展了增材制造GP1不锈钢的层裂实验,发现GP1不锈钢的层裂强度随着飞片撞击速度增大而减小。单轴拉伸试样断口和层裂试样断口的显微分析结果表明:随着应变率增大,单轴拉伸断裂模式和断裂机理都发生了转变;层裂损伤易成核于激光熔池边界线的交汇处,断口韧窝形貌明显区别于单向拉伸断口。     

钢纤维混凝土的层裂特征

利用大直径Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面的吸收杆应变波形分析了钢纤维增强混凝土的层裂特征。实验结果表明,钢纤维混凝土的层裂强度与钢纤维含量、混凝土压缩强度以及加载速率有关,并给出了经验公式。和素混凝土相比,钢纤维混凝土具有更高的层裂强度和更好的阻止损伤演化和裂纹扩展的能力。高速摄影结果表明,钢纤维混凝土层裂时,层裂段的飞离是由于陷在层裂段中应力波的动量效应,而且在层裂段中不易出现再次层裂的现象。这些现象和相同加载条件下素混凝土的层裂破坏有明显差别,说明钢纤维可以很好地提高混凝土抗层裂能力,其结论对相关的数值模拟和防护工程设计有重要意义。     

层裂微裂纹的形态及层裂程度的表征参量

层裂是冲击载荷造成材料破坏的一种典型方式。文中运用超声Ｃ扫描检测系统对层裂试件的微损伤形态进行检测，确是出在一维应变加载条件下的微裂纹形态呈钱币型；另一方面，根据钱币型微纹形态，通过对层裂损伤演化过程的分析，提出了一个描述层裂程度的无量纲参量，与层裂实验数据的对比说明了这个参量能够很好地描述层裂损伤程度。     

爆轰加载下金属锡层裂破碎数值模拟

对爆轰加载下低熔点金属锡的层裂破碎问题开展了数值模拟。在利用实验数据对所采用数值方法和材料模型开展对比验证的基础上,通过对样品内部物理量时间及空间分布演化对比分析,剖析了冲击加-卸载中样品内部应力波与材料相互作用过程。此外,通过对比分析不同厚度锡样品在爆轰加载下的动态行为特征,进一步认识了自由面反射稀疏波、边侧稀疏波和入射稀疏波共同作用下层裂破碎演化机制。结果表明,当样品较薄时,层裂破碎行为由反射稀疏波主导;随着样品厚度的增大,反射稀疏波主导区缩小,入射稀疏波和边侧稀疏波主导区逐渐增大。     

纯铁材料的冲击相变与"反常"层裂

采用VISAR、X射线衍射和金相处理联合测试分析技术,开展等厚对称碰撞实验,研究了纯铁材料的冲击相变与层裂行为特征。结果发现,冲击加载压力大于纯铁材料相变阈值(13 GPa)时,等厚对称碰撞样品发生反常2次层裂。结合相关文献的实验结果,从应力波相互作用的角度分析了反常层裂形成的原因,指出纯铁材料的冲击相变和卸载逆转变及引发的稀疏冲击波是导致反常2次层裂的物理机制。     

无钴合金钢的层裂断裂及数值模拟研究

利用一级轻气炮作为加载手段,对无钴合金钢的层裂特性进行了研究,获得了Hugoniot弹性极限、层裂强度、层裂片厚度以及塑性应变率等动力学参数。对回收的样品进行了断口分析和金相分析,从宏微观角度分析了无钴合金在不同应变率下的断裂机制。利用LS-DYNA有限元程序对层裂现象进行了数值模拟,计算结果与实验结果基本吻合。     

热障涂层层裂断裂性能的研究

热障涂层在高温工作环境下,由于热梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效.本文针对热障涂层层裂问题,考虑温度梯度引起的热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的三种存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析.结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大.     

晶粒度对纯铝动态力学性能的影响

通过热处理方式制备了3种不同晶粒度的纯铝样品。利用分离式霍普金森压杆加载装置测量了3种纯铝在应变率102～104 s-1范围内的应力应变曲线。实验曲线表明,纯铝的屈服应力和流动应力随晶粒度的增大而减小;根据实验数据拟合了纯铝在动态下的Hall-Petch公式。同时采用一级轻气炮对3种纯铝进行了层裂实验,结果表明晶粒度对纯铝的层裂特性几乎没有影响。     

一维含气多孔介质突然卸载破坏引起渗流变化的实验研究

利用煤激波管进行了一维含气多孔介质在突然卸载条件下的破坏实验,并对破坏的形态(层裂和层松)以及破坏前后气体渗流特性的变化进行了实验研究。实验结果表明:试样的破坏存在层裂和层松两种典型的破坏形式,破坏后煤样渗透率的变化本质上是由层松引起的;渗透率的分布与破坏应变直接相关,而充气压力是决定总体变化的参数;试样开裂破坏后的渗透率是原始渗透率的1～2倍;随充气压力增加.破坏深度按某一特征厚度的倍数增加。     

混凝土材料的层裂特性

利用Hopkinson压杆作为实验设备,通过试件后面吸收杆上应变波形研究了混凝土材料的层裂特性。不同强度混凝土在不同加载率下的实验结果表明,混凝土层裂强度与其压缩强度以及加载速率有关,给出了层裂强度和压缩强度以及加载率之间关系的经验公式,并指出不同加载速度下混凝土裂纹扩展方式不同是层裂强度率效应的主要原因。加载压缩波损伤的影响、重复加载实验以及多次层裂的顺序都表明,损伤对混凝土的层裂过程有重要影响。     

液体炸药滑移内爆加载下钢管的变形与层裂破坏研究

用液体炸药滑移内爆加载方式,研究了不同炸药厚度和外壳条件下20钢圆管的内聚变形和破坏特征。实验中,钢管发生了较大径向应变,应变值大致随炸药厚度的增加而线性增大。在炸药厚度不低于3mm时钢管变形均匀,轴对称较好;药厚小于3mm时其变形不再是基本轴对称收缩,管子表面出现扭转褶皱。各种装药厚度下,均未观察到预期的层裂破坏。对未层裂的原因进行了初步分析。