非一维应变冲击加载下高纯铜初始层裂行为

提出了一种锥形靶层裂实验新方法,开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究,讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系.结果显示:1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区,损伤区扩展方向与锥面平行,从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态,从微孔洞独立长大到局部聚集,最后形成宏观裂纹,这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化;2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析,揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的,而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征;3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号,但是通过与内部损伤分布特征对比,揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力,Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率,Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.     

材料层裂研究的主要进展

层裂是一种重要的动态损伤破坏现象,由物质界面的反射稀疏波相互作用引起,其细观尺度上的物理机制是微损伤(即微孔洞和微裂纹)的成核、生长和汇合。围绕美国物理学会George E. Duvall冲击压缩科学奖的3位获奖者Grady、Curran和Johnson的相关工作,概述层裂现象的一些主要研究进展,简要介绍层裂现象的研究历史,以期更深刻地理解那些著名的层裂物理模型和实验技术。此外,报道了最近取得的最新研究成果,阐述了冻结不同损伤水平状态的双层靶层裂实验技术与Hopkinson压杆共通的工作原理。针对微损伤成核和生长断裂破碎模型NAG/FRAG在数学上的不一致性和在物理上的不完备性,指出对于延性材料的层裂过程,只要微孔洞成核的累积数目密度满足尺寸的指数分布、微孔洞半径的生长速度与半径呈线性关系,就能够得到解析形式的损伤度演化方程,该修正模型MNAG在数学上是一致的,在物理上是完备的;对于白以龙等建立的欧拉形式的微损伤数目守恒方程,指出计算损伤度不必显式求解该方程,损伤度的表达式一般通过拉格朗日形式的微损伤数目守恒方程获得;针对损伤度函数模型或封加坡模型,以更加简洁的方法进行了推导。     

延性材料动态拉伸断裂早期连通过程的逾渗描述

 借鉴逾渗理论，提出了新的应力松弛函数，简称PR函数（Percolation-Release Function），用以描述断裂发生前由于微孔洞连通而引起的快速应力松弛过程，具有较为明确的物理意义。通过其与损伤度函数模型进行耦合，对无氧铜和45钢平板撞击层裂进行了数值模拟。结果表明：数值计算不仅有效地再现了界面的应力历史和自由面速度历史，而且再现了靶中的损伤分布；新的逾渗松弛函数具有较好的适用性。     

铝锂合金材料损伤演化方程和层裂准则的研究

 通过平板撞击实验对铝锂合金层裂现象进行实验研究。以细观统计和唯象分析相结合的思想,提出了一种新的微孔洞型损伤演化方程,方程同时计及了孔洞长大、成核以及材料可压缩性的耦合效应对损伤演化的影响。在一维应变波模拟程序中嵌入考虑损伤演化影响的铝锂合金本构方程和状态方程,模拟平板撞击过程靶板自由面质点速度时程曲线,并与实验曲线相对比,得到了铝锂合金材料损伤演化方程及其层裂准则的相关参数。     

AD95陶瓷的层裂强度及冲击压缩损伤机理研究

采用激光位移干涉测试技术测量了AD95 陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面或样品/窗口界面粒子速度剖面, 确定了层裂强度及其与加载应力的变化关系, 在此基础上讨论了冲击压缩损伤程度与加载应力的关系. 研究结果表明: AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的阈值应力约为3.7 GPa, 小于其雨贡纽弹性极限(HEL, 约5.47 GPa); 小于阈值应力不发生冲击压缩损伤, 层裂强度随加载应力的增加逐渐增大; 大于阈值应力冲击压缩损伤快速发展, 层裂强度迅速降低; 在HEL附近层裂强度降低到零, 丧失了抗拉能力, 表明材料发生了严重的冲击压缩损伤.     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

 采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。     

加载应力幅值对高纯铜动态损伤演化特性研究

研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.     

强激光辐照下纳米铜动态拉伸型断裂的数值模拟

 基于强激光辐照加载下纳米铜的层裂实验,采用含逾渗软化函数的损伤度函数模型对实验结果进行了数值模拟研究。强激光加载条件被简化为高斯分布脉冲压力施加在镍合金基体的前表面上。数值计算结果显示：损伤演化明显地改变了试样中波传播特性,无论是对微损伤还是完全层裂的试样,计算都较好地再现了实测自由面速度剖面,表明了含逾渗软化函数的损伤度函数模型在强激光加载条件下纳米铜层裂问题分析中具有较好适用性。     

一个新的损伤演化方程及其在层裂中的应用

 采用统计细观损伤力学方法,基于延性金属断裂过程的孔洞演化机理,提出一个新的损伤演化方程,该方程在一定的条件下与由空心球体胞模型导出的损伤方程形式相同。在此基础上,将新的损伤演化方程编入一维Lagrange有限差分动力学程序,对OFHC铜的平板对称正碰撞层裂实验进行了数值模拟,计算结果与实验吻合得较好。     

烧结钕铁硼的层裂强度及断裂机理

利用一级气体炮对烧结钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁材料进行平板撞击实验,实现一维应变下的层裂;采用激光干涉测速技术,测量样品自由面粒子速度历史,确定了冲击压缩后层裂强度与加载应力的关系。结果表明:加载应力在0.375～2.512 GPa范围内时,层裂强度随着加载应力的增加先增加后减小,存在一个阈值,当加载应力超过该阈值时,材料发生压缩损伤,层裂强度随之减小。通过扫描电子显微镜观察样品断口形貌,发现在冲击载荷下烧结钕铁硼出现明显的穿晶断裂。     

关于自由面速度剖面解读层裂问题的几点商榷

 基于对层裂问题的理解和相关文献,就自由面速度剖面解读层裂问题的局限性提出了一些看法。指出：自由面速度剖面测量给出的层裂破坏过程是间接信息,而不是直接信息,用它确定的理论模型和数值模拟参数,也许并没有真实地反映层裂过程的物理本质;层裂强度常被人们用来表征材料在高应变率下的抗拉伸能力,但是在目前的层裂强度计算公式中没有考虑损伤介质对波剖面传播的影响,使得计算结果明显偏低;传统的单点测量得到的结果有很大的局限性,对于层裂问题,采用概率评估或者置信度评估,也许更符合真实情况。建议：为了全面真实地评价层裂问题中的物理、力学过程,应该加快发展更多的实验探测和诊断技术,尤其是对内部损伤状态的观测。     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed with the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

Modelling of spall damage in ductile materials and its application to the simulation of the plate impact on copper

A statistical model of dynamic spall damage due to void nucleation and growth is proposed for ductile materials under intense loading, which takes into account inertia, the elastic-plastic effect, and initial void size. To some extent, void interaction could be accounted for in this approach. Based on this model, the simulation of spall experiments for copper is performed by using the Lagrangian finite element method. The simulation results are in good agreement with experimental data for the free surface velocity profile, stress record behind copper target, final porosity, and void concentrations across the target. The influence of elastic-plastic effect upon the damage evolution is explored. The correlation between the damage evolution and the history of the stress near the spall plane is also analyzed.     

Effect of grain size and arrangement on dynamic damage evolution of ductile metal

Plate-impact experiments have been carried out to examine the effect of grain size and grain arrangement on the damage evolution of ultrapure aluminum. Two groups of samples, "cross-cut" and "longitudinal-cut," are obtained from the rolled aluminum rod along different directions. The peak compressive stress is approximately 1.25 GPa-1.61 GPa, which can cause incipient spall damage that is correlated to the material microstructure. The metallographic analyses of all recovered samples show that nearly all damage nucleates at the grain boundaries, especially those with larger curvature. Moreover, under lower shock stress, the spall strength of the "longitudinal-cut" sample is smaller than that of the "crosscut" sample, because the different grain sizes and arrangement of the two samples cause different nucleation, growth, and coalescence processes. In this study, the difference in the damage distribution between "longitudinal-cut" and "cross-cut" samples and the causes for this difference under lower shock-loading conditions are also analyzed by both qualitative and semi-quantitative methods. It is very important for these conclusions to establish a reasonable and perfect equation of damage evolution for ductile metals.     

冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相关性

采用可测量任意反射表面的速度干涉仪对LY12铝合金在不同初始温度条件下的动态屈服与层裂行为进行了实验研究，温度范围从室温到接近熔化温度.实验结果显示：LY12铝合金的动态屈服强度随着温度升高而快速下降，当初始温度为847K (比熔化温度低86K) 时，其屈服强度仅为室温下的15％，层裂强度也随着温度升高而减小，在296—847K的实验温度范围内，层裂强度损失80%.通过实验结果与模型估算值的比较，发现Zerilli-Armstrong (ZA) 模型可以对LY12铝合金的动态屈服强度与温度的相关性进行较好 关键词： 温度相关性 LY12铝合金 动态屈服强度 层裂强度     

Failure waves in glass under dynamic compression

Abstract

Plate impact (I-d strain) and bar impact (I-d stress) experiments were performed on soda lime glass and pyrex glass. Embedded manganin gauges were used to monitor stress-time profiles in both types of experiments. In the plate impact experiments we found that glass not only fails through inelastic (or densification) deformation, but also through a unique failure process which gives rise to a failure wave first observed by Kanel et al. in the Soviet Union in 1990. In the present work three independent observations were made that support the existence of failure wave in glass: (i) the spall strength below and above the HEL is zero behind the failure wave, (ii) a small recompression is present in the longitudinal gauge (embedded between glass and PMMA) profile due to the reflections of release waves from the advancing failure wave, and (iii) transverse stress (measured by transverse gauge) increases on the arrival of the failure wave. The transverse stress increases because the glass loses its shear strength as a result of the arrival of the failure wave. The speed of the failure wave is about 1.5–2mm/μs. In the experiments on pyrex bars we used high speed Imacon framing camera to monitor the speed of the failure front. We found that pyrex bars fail through a failure front propagating across the cross section of the bar. The speed of the failure front is a function of the impactor (pyrex bar or steel plate) velocity. The speed increases from 2.3 mm/μs, corresponding to impact velocity of 125 m/s, to 5.2mm/μs for impact velocity of 330 m/s.     

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。     

动态断裂过程的数值分析及LY-12铝的层裂

 本文从文献[1]中用于分析柱壳动态膨胀断裂过程的损伤度函数出发，将它推广到对一维应变下层裂过程的数值模拟研究。试件材料为LY-12铝，其特性方程取为含粘性的本构方程形式。数值计算结果很好地再现了实测自由面速度u_fs随时间t的变化过程，并表现出层裂强度σ_c及层裂面上的临界损伤度α_c都分别是应变率ε_c'的单调递增函数关系。σ_c~ε_c'的这种变化规律在许多文献中已屡见报道，例如可见文献[2-3]。在10⁵ s^-1~10⁶ s^-1应变率范围内，σ_c~ε_c'关系可以表示为ε_c'exp(-11.4α_c)=2 100 s^-1，这个式子可以作为一种层裂判据使用。数值计算还给出了层裂片的损伤度剖面，其形状特征与Barbee等对回收试件的细观测量结果在定性上一致。