冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理

利用一级轻气炮开展了不同厚度氧化铝陶瓷样品的平板冲击压缩实验,并借助激光速度干涉仪(VISAR)测试了样品的自由面速度历程.根据自由面速度历程确定了不同厚度氧化铝陶瓷样品的Hugoniot弹性极限值,结果显示,冲击压缩下氧化铝陶瓷中存在弹性前驱波衰减现象.进一步基于氧化铝陶瓷的细观结构扫描电镜(HEL)图像,分析了氧化铝陶瓷的细观结构特征,构建了含晶相、玻璃相等细观特征的力学模型.数值模拟冲击压缩加载下氧化铝陶瓷细观结构的力学响应过程,从细观层次上分析了弹性前驱波衰减现象的产生机理,指出冲击压力低于HEL时材料的细观损伤引起的能量耗散以及前驱波在细观结构晶界处反射和透射引起的能量分散过程是其产生的主要原因.     

<100> LiF高速冲击变形过程的晶体塑性有限元模拟

结合状态方程建立晶体塑性有限元模型,模拟高速冲击加载条件下100 LiF的动态弹塑性大变形行为,得到应力波剖面特征、动态力学演化规律及其连续介质力学根源。结果表明:毫米级样品经约15 GPa以内的低压冲击,波剖面具有弹塑性双波响应、弹性前驱衰减和应力松弛现象,其决定性因素包括样品厚度、外加压力和材料本构;从连续介质力学角度分析得到,应力松弛本质上是由于黏性塑性流动,导致总应变增速小于塑性应变增速,从而使弹性应变减小、压力降低;提出用压力关于时间的三阶导数大于零作为判断条件,对应力波剖面上双波和单波响应的临界压力进行估测,发现随着样品掺杂浓度的增加,临界压力增大;高速冲击变形的温升效应不可忽略,且温升绝大部分来自弹性体积变形的贡献。     

冲击加载下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金属玻璃的塑性行为

进行了10—27 GPa应力范围内Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉金属玻璃的平面冲击实验以研究其高压-高应变率加载下的塑性行为.由样品自由面粒子速度剖面的分析获得了冲击加载过程的轴向应力,并通过轴向应力与静水压线的比较获得剪应力.实验结果表明,尽管存在明显的松弛效应,但Zr基金属玻璃的Hugoniot弹性极限随着冲击应力的增加而增加.然而,塑性波阵面上的剪应力则显示先硬化而后软化现象,而且软化的幅度随冲击应力的增加而增加.冲击加载下Zr基金属玻璃的上述剪应力变化特征与分子动力学模拟结果比较一致,但与压剪实验结果和一维应力冲击实验结果明显不同.     

无钴合金钢的冲击响应实验研究

 利用一级轻气炮作为加载手段,研究了无钴合金钢在3~20 GPa压力区间的冲击响应特性。用激光干涉测速——VISAR记录了双波结构的自由面速度剖面,并利用常压下的弹性纵波速度近似替代低压冲击下的弹性先驱波速度,确定了无钴合金钢的Hugoniot关系。根据自由面速度反映的层裂信息,给出了无钴合金钢的Hugoniot弹性极限、层裂强度以及层裂片厚度等动态力学参数。     

单晶Ce冲击相变的分子动力学模拟

金属Ce在室温条件下当压力达到约0.7 GPa时会发生一阶相变,体积突变减小14%—17%,相变前后两相分别为γ-Ce和α-Ce,均为面心立方结构.实验中发现冲击波在Ce中传播,其波形存在明显的多波结构依次为γ-Ce弹性前驱波、γ-Ce塑性波、γ-Ce→α-Ce相变波.基于新发展的金属Ce的嵌入原子势,对单晶Ce的冲击相变行为进行了分子动力学模拟.模拟结果表明,在一定强度下,单晶Ce中的冲击波阵面分裂为多波结构,波形结构与加载晶向明显相关:在[001]和[011]晶向加载下表现为双波结构,依次为前驱波和相变波;在[111]晶向加载下波阵面分裂为弹性前驱波、γ-Ce塑性波、γ→α相变波,与已有的实验观察相一致.冲击波速的Hugoniot关系在低强度加载下与实验符合得较好.同时在此冲击相变过程中,应力偏量对相变起促进作用,相较于静水压加载,冲击加载的相变压力条件更低一些.     

预应力对多晶铁冲击行为影响的微观模拟研究

冲击加载铁动力学响应是当前冲击波领域金属材料塑性和相变行为研究最为关注的焦点之一.本文采用分子动力学模拟方法开展预应力作用下冲击加载多晶铁的动力学行为研究.模拟结果表明,随着预应力的增加,导致弹塑转变应力(Hugoniot弹性极限)和冲击波速度提高,符合已有的理论分析结果.微观晶体结构表征则发现较大的预应力导致剪应力大于屈服应力,塑性弛豫时间缩短,加快多晶铁α→ε相转变.进一步通过与平面及柱壳纯铁冲击加载获得的自由面速度剖面对比分析,证实了模拟结果.     

AF-1410钢冲击响应研究

利用φ100的一级轻气炮作为加载手段，采取飞片对称碰撞法研究了AFI-410钢在冲击载荷下的动态响应。在实验中，用激光干涉测速仪(VISAR)测量样品自由面速度剖面，并用PZT陶瓷片测量弹性先驱波速度。由VISAR测量的自由面速度历史曲线如图1所示，图中Ⅰ～Ⅵ代表不同撞击速度下样品自由面速度历史图像。塑性冲击波速度与波后粒子速度关系为Cpl=4．45 1．477up(km/s)，拟合曲线如图2所示。同时，根据自由面速度历史反映的层裂信息，得到Hugoniot弹性屈服极限约在2．74GPa，层裂强度约4．67GPa。     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

Soda lime玻璃材料中失效波形成和传播研究

 为了研究冲击载荷作用下Soda lime玻璃材料中失效波的形成和传播,通过轻气炮加载平板撞击实验,采用双螺旋锰铜压阻传感器,在一发实验中同时测量4种不同厚度试件背面与有机玻璃背板间界面处的纵向应力时程曲线,根据测量结果得到试件中失效波的传播轨迹。通过改变碰撞速度,对不同加载条件下的失效波形成和传播规律进行了研究,结果表明,Soda lime玻璃材料在冲击作用下产生失效波所需的延迟时间随冲击载荷的增加而减小,失效波传播速度随冲击载荷的增加而增加。最后采用弹性微裂纹统计模型描述冲击载荷作用下Soda lime玻璃的破坏机制,并将模型嵌入LS-DYNA有限元程序中,模拟试件在不同加载条件下的平板碰撞,所得横向应力和自由面粒子速度曲线均可用于表征失效波破坏现象。根据数值模拟结果分析失效波的传播轨迹,与实验测量结果符合较好。     

Evolution of shock waves in SiC ceramic

The evolution of a shock compression wave in SiC ceramic is measured for determining the possible contribution of relaxation processes to the high-rate straining. No appreciable decay of the elastic precursor and other features of stress relaxation are revealed when the sample thickness changes from 0.5 to 8.3 mm, and the evolution of the compression wave corresponds to a simple wave. The measured values of the Hugoniot elastic limit (σ_HEL = 8.72 ± 0.17 GPa) and spall strength (σ_sp = 0.50–0.62 GPa) with allowance for the density of the ceramic are in conformity with the available data.     

Numerical and experimental investigation of the fracture behavior of shock loaded alumina

Plate impact expeiments are conducted to investigate the dynamic behavior of alumina by using one stage light gas gun. A ve-locity interferometer system for reflectors (VISAR) is used to obtain Hugoniot elastic limit and the free surface velocity profile,which consists of an elastic wave followed immediately by a dispersive inelastic wave. The stress histories under different impact velocities are measured by in-material manganin gauges. Based on the experimental data a Hugoniot curve is fitted,which shows ...     

Shock-wave compression of x-cut quartz as determined by electrical response measurements

The mechanical response of x-cut quartz in the vicinity of the Hugoniot elastic limit is determined from measurements of the piezoelectric current from samples impact loaded from 26 to 130 kbar. The Hugoniot elastic limit is determined to be 60_?1·5⁺³ kbar at a compression of 0·066_?0·002^+0·004 This Hugoniot elastic limit corresponds to a shear strength of 5·5 per cent of the C₄₄ shear modulus. For stresses well above the Hugoniot elastic limit the electrical current measurements show that the material exhibits a substantial reduction of shear strength. The pressure derivative of the bulk modulus is determined to be 4·5, substantially less than the ultrasonic value. The experimental records show evidence for a time delay for reduction of shear strength which varies from about 10^?7 sec immediately above the 60 kbar Hugoniot elastic limit to about 10^?8 sec for stresses well above the Hugoniot elastic limit. The measurements also show stress relaxation below the Hugoniot elastic limit between 40 and 60 kbar.     

Effect of a fullerene C60 addition on the strength properties of nanocrystalline copper and aluminum under shock-wave loading

The Hugoniot elastic limit and the spall strength of aluminum and copper samples pressed from a mixture of a metallic powder and 2–5 wt % C₆₀ fullerene powder are measured under a shock loading pressure up to 6 GPa and a strain rate of 10⁵ s^?1 by recording and analyzing full wave profiles using a VISAR laser interferometer. It is shown that a 5% C₆₀ fullerene addition to an initial aluminum sample leads to an increase in its Hugoniot elastic limit by an order of magnitude. Mixture copper samples with 2% fullerene also exhibit a multiple increase in the elastic limit as compared to commercial-grade copper. The elastic limits calculated from the wave profiles are 0.82–1.56 GPa for aluminum samples and 1.35–3.46 GPa for copper samples depending on the sample porosity. The spall strength of both aluminum and copper samples with fullerene additions decreases approximately threefold because of the effect of high-hardness fullerene particles, which serve as tensile stress concentrators in a material under dynamic fracture.     

The Influence of the Cobalt Content on the Strength Properties of Tungsten Carbide Ceramics under Dynamic Loads

Based on the registration and analysis of the full wave profiles, the Hugoniot elastic limit and spall strength of ceramics based on tungsten carbide with different cobalt content are measured. We also study the influence of the cobalt content on the mechanical characteristics of tungsten carbide such as hardness, fracture strength, Young’s modulus, shear modulus, and sound velocity. It is shown that in the process of spalling, the failure stresses grow and the dynamic elastic limit decreases almost linearly within the scatter of their values with growing cobalt content; moreover, the value of the Hugoniot elastic limit is abruptly practically halved as the cobalt content grows from 0 to 2 wt %.     

氮化硅陶瓷层裂强度的研究

 用一级轻气炮冲击加载装置，对氮化硅陶瓷进行了冲击性能实验研究。发展了一种新的方法用于研究层裂特性，即通过在样品中埋设电磁粒子速度计来记录氮化硅陶瓷内部的层裂特性。该方法不同于常用的VISAR激光干涉法和锰铜计法，记录的是样品内部粒子速度的变化特征，位于层裂面后方的粒子速度计能清晰地表征材料的层裂特性。通过实验，得到了密度为3.12 g/cm³的氮化硅陶瓷的层裂强度为0.73 GPa，和Nahme等得到的强度较为接近，对称碰撞得到的裂片厚度与该次实验的飞片厚度相当。实验表明，电磁粒子速度计的方法可以用于研究非磁屏蔽材料的层裂特性。由于采用多个计进行记录，还得到了材料在弹性区内（1.8~3.6 GPa）的Hugoniot冲击绝热线。     

Bi在固液混合相区的冲击参数测量及声速软化特性

冲击相变与熔化作为材料特性的一项重要研究内容,对于多相物态方程构建具有重要意义.本文利用追赶稀疏原理和阻滞法,基于火炮加载技术获得了17.3—28.3 GPa范围内纯铋(Bi)的高精度声速数据和Hugoniot参数,分析了声速软化规律,得到固-液混合相区Bi材料声速随压力的近似线性递减关系C=3.682-0.015p,并进一步确定Bi的冲击熔化压力区间为18—27.4 GPa.同时,Bi/Li F界面速度剖面的预期平台段在固液混合相区表现出渐进爬升的异常特征,分析认为,该现象与Bi材料的非均匀熔化动力学行为及冲击熔化完成时间尺度较长有关.