设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

孔洞排布对PMMA多孔材料冲击响应行为的影响

多孔材料具有轻质、缓冲减震、吸能等特点,在加载路径调控、爆炸或冲击防护领域具有广泛的应用前景。采用格点-弹簧模型(离散元方法),模拟多种孔洞排布方式的PMMA多孔材料在冲击加载过程中的早期孔洞塌缩破坏、应力分布与粒子速度等冲击响应行为。结果表明:在冲击加载过程中,裂纹萌发于孔洞侧向(垂直于冲击波方向)附近区域,孔洞破坏形式以剪切断裂为主;在不同的孔洞排列模型中,孔洞与孔洞之间均存在剪切裂纹相互贯通现象,促进孔洞体积压缩致密化,且孔洞排列方式不影响冲击波传播速度;四角点阵模型有效减缓孔洞附近区域的应力集中;四角点阵、三角点阵、锥形递减排列、锥形递增排列模型都显著影响PMMA多孔材料的冲击波阵面平整性;孔洞的随机排列模型对降低粒子速度最有效,四角点阵排列模型对降低波阵面后压力贡献最大。     

无序性对脆性材料冲击破碎的影响

脆性材料受冲击荷载作用产生损伤开裂是一个连续介质离散化的过程.采用连续离散耦合方法模拟了一个脆性圆球以不同初始速度与刚性板的冲击,重点研究了无序性对脆性材料冲击破碎的影响,并对其内在机理进行了分析.本文不考虑材料细观结构的无序性,材料的无序仅体现在细观断裂参数的非均质性.数值实验同样揭示了脆性材料在冲击破坏中存在两种破坏模式,即低速时接触区域的局部损伤和高速时的整体碎裂.研究表明,材料无序性对临界冲击速度、破碎模式、碎片形态影响显著.随着无序度增加,材料的临界速度增大,损伤开裂由少量贯穿性裂纹主导转变为全域性的分叉裂纹.高无序度圆球冲击产生的碎片表面更粗糙,体型更为扁平细长.这与细观断裂的主导机制有关,无序度较高时剪切导致开裂的比重更大,碎片内部损伤裂纹面更多.     

脆性材料动态断裂的介观格子模型

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法——"格子模型"得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。     

冲击加载下孔洞形成微射流的最大侵彻深度

应用二维弹塑性流体力学欧拉程序MEPH,研究冲击载荷作用下孔洞形成的微射流.主要关注孔洞微射流的形成过程,重点分析冲击压力及孔洞半径等因素对于孔洞微射流最大侵彻深度的影响.分析孔洞塌缩形成射流的空间速度分布特征,并应用非定常射流理论,对不同冲击压力及孔洞半径条件下,微射流的最大侵彻深度进行估算,估算结果与数值模拟结果符合较好.     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏

与韧性金属材料相比，脆性材料在冲击压缩下表现出许多异常的力学响应特性，尤其是损伤破坏特性，经常在应变不到1％时就发生破坏。因此对脆性固体的动态压缩特性研究不仅是一个工程问题，也是一个非常有意义的科学问题。     

冲击作用下纳米孔洞动力学行为的多尺度方法模拟研究

本文利用多尺度方法研究了包含孔洞金属材料在冲击加载条件下的动力学行为. 该多尺度方法结合了分子动力学和有限元方法,分子动力学方法运用于局部缺陷区域,而有限元方法运用于整个模型区域,两种方法之间使用桥尺度函数进行连接. 计算结果既包括了系统宏观的物理信息,如应变场、应力场、温度场等,也得到了微观原子的物理信息,如原子能量和位置坐标等. 结合以上的模拟结果,发现孔洞的坍塌与材料屈服强度和冲击强度有关,而孔洞坍塌和坍塌过程中对微喷射原子的压缩过程是形成局部热点的主要原因. 同时也发现孔洞坍塌形成的位错和局部热点可以导致局部绝热剪切带更容易形成. 关键词： 微孔洞 热点 冲击加载 多尺度方法     

冲击加载下孔洞贯通的微观机理研究

利用分子动力学方法计算模拟了沿〈100〉晶向冲击加载下单晶铜中双孔洞的贯通过程.发现孔洞周围发射剪切型位错环是孔洞塌缩和增长的原因.在拉伸阶段,孔洞首先分别独立增长,随后其周围塑性变形区开始交叠和相互作用,最后两个孔洞开始直接贯通.这种贯通模式和实验对延性材料中孔洞贯通过程的显微观察结果一致.对四种不同θ值（θ为两个孔洞中心连线与冲击加载方向之间的夹角）的模型分别进行了计算模拟,发现在相同的冲击加载强度下,θ＝0°和θ＝30°的孔洞之间没有相互贯通; 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 贯通     

冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波的研究进展

失效波的研究始于Rasorenov和Kanel发现K19玻璃样品后自由表面速度时程曲线上有反常再压缩信号。失效波是二十世纪九十年代冲击动力学研究领域的一个重要发现,它是指在一维平面应变冲击压缩下,在玻璃等脆性材料中由冲击波引起的一种独特的失效或破坏现象。较为系统地回顾近年来对失效波的研究工作,评述了研究现状、最新结果、发展趋势、研究方法和实验手段,对尚存的问题进行了分析讨论,并介绍了玻璃材料的基本特性。最后简单汇报了作在这方面的研究工作和取得的阶段性结果。     

激光分离脆性材料的研究

传统分离脆性材料的技术由于易产生残余应力、显微裂纹与边部碎屑等缺陷，越来越不能满足半导体工业高精度与高清洁度的要求。激光微细加工技术以无污染、无接触及加工精度高、操作柔性好等优势，正成为一种很有潜力的脆性材料精密加工技术。介绍了用于分离脆性材料的几种典型激光微细加工技术，包括激光烧蚀切割技术、激光诱导张应力控制微裂纹扩展技术与激光剥离技术的工艺原理、特点及研究现状，指出了其存在的主要问题并探讨了其改进措施。最后预测了激光分离技术的发展前景。     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

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.     

低冲击应力下脆性介质电阻率的实时测量

 冲击波压缩下材料宏观性质的变化与微观结构演化有着密切联系。通过改进对称差分电路测量方法,测量K9玻璃在失效破坏过程中的电阻率变化,研究了脆性介质在低冲击波应力下的损伤破坏机制。结果表明,随着冲击波在K9玻璃中传播,K9玻璃的电阻率逐渐下降;在7.6 GPa冲击压缩下,K9玻璃由最初的绝缘体状态逐渐转变为电阻率约420 Ω·m的稳定状态。     

电子束在材料中的能量沉积和热激波特性

采用解析法、矩方法和Monte Carlo法等方法,计算了电子束在硬铝靶材中的能量沉积.计算表明,3个结果基本符合.根据得出的能量沉积结果和一维应变弹塑性流体动力学模型,计算了电子束热激波在硬铝靶材中的传播,并将其应力峰值的计算值与实测值进行了比较.     

脆性光学材料的超声磨削实验研究

分别采用超声磨削和普通磨削加工方法加工了几种脆性光学材料,研究了几种主要工艺参数对工件加工表面粗糙度的影响。结果表明,超声频率和振幅、金刚石磨料粒度、切深、工具的横向进给速度和旋转速度等工艺参数对表面粗糙度的影响较大。通过比较发现,超声磨削方法比普通磨削方法具有更好的加工表面粗糙度,更高的材料去除率,以及更低的工具磨损量。     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.