不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的力学响应

蓝宝石（A1₂O₃）是透明陶瓷玻璃,它相较传统陶瓷（A1₂O₃）有优良的透光性,而且保留了陶瓷优良的力学性能。利用电子拉伸机和分离式霍普金森杆设备对试样进行准静态应变率为(10?4、10?3、10?2 s?1)和4种动态应变率(850、1 100、1 300、1 450 s?1)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了蓝宝石透明陶瓷玻璃试样在准静态和动态压缩下的破坏过程。实验结果表明:从加载过程中的应力应变曲线是由加载段和失效段组成的,该材料是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,蓝宝石透明陶瓷玻璃的抗压强度也会提高;准静态和动态压缩下蓝宝石透明陶瓷玻璃都是在宏观裂纹扩展作用下失效破坏。通过分析不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的破坏过程,分析得到该材料的失效是在加载的过程中,在蓝宝石透明陶瓷玻璃承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并沿着加载方向扩展,然后裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态破坏失效;在高应变率下,极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大的能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为

利用高温电子万能试验机和具有高温同步自组装功能的Hopkinson压杆对二维C/SiC复合材料 进行了应变率为10-4~103s-1,温度为293~1273K下的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明:二维C/ SiC复合材料破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化,在经 历了较大的变形后才最终破坏,同时材料还表现出良好的高温承载能力及一定的温度和应变率依赖性。随着 温度的升高,复合材料的压缩强度呈降低的趋势。与准静态下室温压缩时相比,材料在1273K 时的压缩强 度的降低程度不超过30%,但压缩强度对应变率的敏感性随着温度的升高而增大。由于高温下试样氧化,C/ SiC复合材料压缩强度对应变率的敏感性在温度为1073K时显著增大。     

准三维针刺C_f/SiC复合材料室温层向动态压缩力学行为的实验研究

为了研究应变率对准三维针刺碳纤维增韧的碳化硅复合材料(Cf/SiC)层向压缩力学性能的影响,本文利用分离式Hopkinson压杆装置对三维针刺Cf/SiC复合材料进行了应变率为10-4至6.5×103s-1的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明,由于材料缺陷,其动态压缩强度分布遵循Weibull分布。破坏时,材料并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度后经历了较大的伪塑性变形才最终破坏。这表明三维针刺Cf/SiC复合材料沿厚度方向针刺的碳纤维有助于提高材料的韧性。同时,材料的压缩强度随应变率的升高显著增大,并与对数应变率近似成线性关系。借助光学显微镜和扫描电镜对压缩断口的观察表明:材料的失效模式随着应变率变化而发生改变。在准静态下,材料主要表现为剪切和分层破坏,而在高应变率下,则主要表现为劈裂。     

高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。     

MDYB-3有机玻璃在不同应变率下的一维屈服行为

对MDYB-3有机玻璃进行了多组不同应变率(10-3~3 000 s-1)下的压缩实验, 得到准静态下的屈服应力与动态下的峰值应力。沿其增强与面内2个方向进行准静态压缩实验, 以分析定向拉伸对屈服应力的影响, 修正了Ree-Eyring模型与Cooperative模型以描述定向有机玻璃的屈服行为。采用Johnson-Cook模型描述屈服后的黏塑性行为。结果表明Cooperative屈服模型比Ree-Eyring屈服模型更接近实验结果, 且能准确描述准静态屈服应力。动态压缩下的峰值应力为失效应力, 说明试样在1 500 s-1以上应变率下未达到屈服应力时已经发生破坏。Johnson-Cook模型对于单条曲线拟合良好, 但无法准确描述材料的应变率相关性。     

PMMA低、中应变率单向拉伸力学性能的实验研究

利用MTS810试验机和自行研制的中应变率材料试验机对有机玻璃(PMMA)准静态(应变率为2.00×10-2s-1,2.01×10-3s-1和2.38×10-4s-1)和中应变率(应变率为18.6s-1,2.81s-1,6.54×10-1s-1和2.92×10-1s-1)单向拉伸力学性能进行了实验研究。应变率为2.38×10-4s-1时,应力-应变曲线中存在软化段。结果显示,在上述应变率范围内,PMMA的力学性能具有明显的应变率相关性,表现为应变率强化、应变率硬化和高速脆性。PMMA的拉伸力学性能在应变率达到18.6s-1时出现了更大的应变率敏感性。采用包含一个非线性弹簧和六个松弛模式的粘弹性模型分析PMMA力学性能的应变率相关性,得到PMMA在低、中应变率下单向拉伸的本构方程,理论结果与实验结果符合较好。     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

PTFE/Al含能复合材料的压缩行为研究

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料.研究了室温下Al含量和应变率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6×10-3s-1～8×103s-1.材料压缩性能的应变率效应明显:与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提高,但应变降低.材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分.随着Al含量的增加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在Al含量为35%时达到最高值102.6 MPa和154 MPa;引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值差别不明显,基本在165 MPa左右,材料引发后反应完全性降低.     

大应变率范围内AM80镁合金的变形行为及组织演变

采用INSTRON准静态压缩试验机和分离式霍普金森压杆装置，研究固溶态AM80镁合金在室温准静态和冲击载荷下的变形行为及组织演变。准静态载荷下，流变应力随应变率（3×10-5~4×10-1 s-1）的升高逐渐降低，表现为负应变率敏感性；冲击载荷下，流变应力随应变率（7.00×102~5.20×103 s-1）的升高而升高，呈现出明显的正应变率敏感性。冲击载荷下AM80镁合金的变形机制以基面滑移和孪生为主，大量细小致密的形变孪生以及适量非基面滑移的启动是AM80镁合金在冲击载荷下流变应力明显高于准静态载荷的重要原因。此外，随应变率的升高，AM80镁合金变形的均匀性明显增强，当应变速率升至3.65×103 s-1时，冲击变形所引起的局部绝热温升软化大于应变硬化与应变速率硬化的总和，部分晶粒产生了明显的动态回复，使得孪晶密度和变形均匀性反而降低。     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

PTFE/Al含能复合物的本构关系

室温下,利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆获得了PTFE/Al含能复合物在应变率10-3~103s-1范围内的压缩应力应变曲线。通过对不同应变率下力学性能的分析,初步建立了材料基于Johnson-Cook塑性模型的压缩本构方程,考虑了材料的应变硬化效应和应变率效应。利用该方程进行的PTFE/Al弹丸侵彻钢靶板的数值模拟结果与实际情况较符合,验证了该方程的可靠性和合理性,对PTFE/Al材料的实际应用也具有一定的指导作用。     

脆性固体中内聚断裂点阵列的扩张行为及间隔影响

建立一个一维模型, 分析脆性材料中多个等间距虚拟断裂点在均匀应变率拉伸作用下的扩张断裂过程. 采用线弹性波动方程组描述材料内部动力学关系, 采用线性内聚力断裂模型(linear cohesive fracture model)描述虚拟断裂点的扩张行为, 根据初始均匀拉伸条件和虚拟裂纹等间距假设给出定解条件, 形成一个初边值问题. 采用Laplace变换方法求解控制方程组, 得到虚拟断裂点扩张过程中内聚应力随时间变化曲线, 以及发生完全断裂的临界时间和单位裂纹体(碎片)的临界膨胀位移. 在此基础上分析应变率和裂纹间距对碎裂发生时间及单元裂纹体临界膨胀位移的影响. 在假设脆性材料在自然碎裂过程中单元裂纹体临界膨胀位移最小的基础上,进一步研究应变率对碎片尺度的影响.      

CREEP BEHAVIOR OF Zr-1.5Nb-0.4Sn-0.1Fe-0.1Cu ALLOY

Creep behavior of the Zr-1.5Nb-0.4Sn-0.1Fe-0.1Cu alloy sheet is investigated from 300℃ to 400℃ in the stress range from 50 MPa to 180 MPa along the rolling direction. The measured strain rates range from 8.8 × 10^-10 s^-1 to 4.7 × 10^-7 s^-1. The activation energies are estimated to assess the creep deformation mechanisms in this alloy. The strain rate is slightly different at low stress, while it shows a distinct difference at high stresses. Stress exponents of this alloy increase with increasing applied stress at all testing temperatures. It is concluded that the creep deformation of the Zr-1.5Nb-0.4Sn-0.1Fe-0. 1 Cu alloy is controlled by the diffusion creep at low stress region and by the climbing of dislocations at high stress region.     

碳布叠层/碳复合材料动态压缩性能测试研究

利用带有波形整形器的Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)技术测试了碳布叠层/碳复合材料在应变率为500、1 500 s-1时的动态压缩性能。研究结果表明:利用轧制紫铜作为整形器材料不仅可以有效地实现对碳布叠层/碳复合材料的常应变率压缩加载，而且有助于改善试样两端的应力平衡，从而保证测试数据的可靠性；此外，与准静态压缩相比较，在动态压缩载荷下，碳布叠层/碳复合材料的压缩强度有较强的应变率效应，且复合材料压缩强度的动态增加函数可以用Cowper-Symonds幂函数的形式来表示。