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.     

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.     

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.     

AD95陶瓷破坏波问题的实验研究

采用激光速度干涉技术,连续测量了AD95氧化铝陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面速度剖面,通过对速度剖面特征的分析,讨论了AD95陶瓷等脆性材料在冲击压缩下是否存在破坏波现象及其与材料特性的关系。研究结果表明:冲击加载应力在4.4~7.3GPa范围,即从小于到略大于雨贡纽弹性极限(约5.5GPa),在AD95陶瓷的自由面速度剖面中都未出现表征破坏波现象的二次加载信号,表明未发生破坏波形式的严重压缩损伤;但是,自由面速度剖面中特征点的规律性时序关系和前沿弥散特征都表明,在所讨论的加载应力范围内,AD95陶瓷材料发生了一定程度的压缩损伤;断裂韧性是影响材料在冲击压缩下是否发生破坏波现象的重要因素,断裂韧性较低,冲击波加载下易于形成大量微裂纹扩展和贯通,使材料发生"粉碎性"的严重破坏,是产生破坏波现象的重要条件之一。     

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.     

爆炸烧结制备W-Al含能结构材料及其准静态压缩特性研究

通过爆炸烧结法,采用不同粒度的W、Al混合粉末,成功制备了近乎致密的W-Al含能结构材料(ESM)。研究发现:冲击波压力是粉末致密化的主导因素,粉末粒径对烧结密度和微观结构的影响显著,W的粒径越小,颗粒团聚越明显,从而阻碍致密化,在致密块体中形成连续分布的W相。所制备样品的最大抗压强度和失效应变分别达到288 MPa和20%,材料的力学性能和断裂模式主要取决于连续相,Al相连续的ESM抗压强度低、塑性较好,呈轴向劈裂破坏;而W相连续的ESM则表现出脆性和高抗压强度,破坏模式为剪切破坏,与Al的低强度高塑性和W高强度脆性特性一致。     

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     

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。     

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K1 9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。最后简单汇报了作者在这方面的研究工作和取得的阶段性结果。     

金属材料再加载“准弹性”响应的实验验证

从连续介质力学理论看，当材料发生屈服后处于上屈服面，对处于上屈服面的材料进行再加载，将沿着上屈服面，依然发生塑性流动，不可能存在弹性响应。Asay则认为冲击压缩后的材料并非处于上屈服面，由此对处于冲击压缩态的材料进行卸载或再加载，可以观测到弹-塑性转变。国内部分人认为，实验观测到的弹性响应可能是LiF窗口（其冲击阻抗低于Al或其他高阻抗样品的冲击阻抗）反射的稀疏波所致。为了澄清对上述问题的观点，通过低阻抗样品的冲击实验，在消除冲击波在样品／窗口界面反射的稀疏波干扰的情况下，     

泡沫Al压缩形变及能量吸收特征

通过考察两种基体泡沫Al(分别为脆性和塑性)单向压缩应力-应变曲线，探讨了其形变和能量吸收特征及机理，得到了一些与以往不同的研究结果.研究发现，与其他多孔固体材料一样，泡沫Al的压缩形变过程也经历三个区域，即线性弹性区、平台区和致密化区；泡沫Al的吸能本领随屈服强度的提高而增强；在屈服强度相近的情况下，脆性泡沫Al的吸能本领高于塑性泡沫Al；泡沫Al吸能效率峰值对应于较低的应变值(约为0.15—0.25)；吸能效率峰值对基体成分和状态不敏感，随密度增加，吸能效率峰值呈下降趋势. 关键词：     

Computer simulation of the relation between mechanical behavior and structural evolution of oxide ceramics under dynamic loading

Computer simulation is used to investigate the deformation and damage processes taking place in brittle porous oxide ceramics under intense dynamic loading. The pore structure is shown to substantially affect the size of the fragments and the strength of the materials. In porous ceramics subjected to shock loading, deformation is localized in mesoscopic bands having characteristic orientations along, across, and at ∼45° to the direction of propagation of the shock wave front. The localized-deformation bands may be transformed into macroscopic cracks. A method is proposed for a theoretical estimation of the effective elastic moduli of ceramics with pore structure without resorting to well-known hypotheses for the relation between elastic moduli and porosity of the materials.     

强脉冲CO2激光对红外材料的破坏现象

实验表明强激光对红外材料的破坏分为两种类型:烧蚀和冲击破坏。在空气中,光功率密度低于大气的光学击穿阈值时,以烧蚀为主。超过击穿阈值时,冲击破坏是主要的。在我们的实验条件下,用强激光辐照红外脆性材料的靶,靶极易产生微裂纹或粉碎性破坏,其破坏效果与激光的脉冲能量、功率密度、脉冲宽度,以及着靶面积有关。为了直观,文中给出了不少辐照损伤的照片。 关键词：     

Nonlinear wave processes of crack propagation in brittle and brittle-ductile fracture

The paper reports on theoretical and experimental studies which demonstrate that crack propagation in solids in brittle and brittle-ductile fracture is a nonlinear wave process. The effect of the structural phase state and stress-strain stiffness of material on the crack type (opening, sliding, or tearing mode) and on the character of wave fracture is described.     

多孔材料在压缩载荷作用下的剪切破坏模式分析

压缩行为是工程材料最为基本的力学性能之一. 本文通过简化结构模型分析了各向同性的三维网状高孔率多孔材料在压缩载荷作用下的破坏模式,其中包括单向压缩、双向压缩和三向压缩等三种承载情形. 在此基础上,得出了这种多孔体受压破坏源于剪切断裂模式时名义主应力与孔率之间的数理关系. 结果表明,该类材料承受压缩载荷时的破坏模式与其材质的种类有关,脆性材质多孔体的孔棱呈拉断破坏模式,而韧性材质多孔体的孔棱则可能出现剪切断裂的破坏模式. 对应得出的强度设计判据可为该类材料在这种承载破坏模式下的应用提供参考.     

Nonequilibrium processes in condensed media. Part 2. Structural instability induced by shock loading

In the first part of the work, we described our concept of shock wave processes, which is based on nonlocal nonequilibrium transport theory, and an associated mathematical elastoplastic wave model that allows for inertial properties, structural changes, and variation in mechanical properties of solid-state materials under shock loading. In the second part of the work, it is demonstrated that the energy exchange between the scales of dynamic deformation is defined by the relation between the characteristics measurable in real time: the mesoscale mass velocity variation and the mass velocity defect due to loss of the energy expended in structure formation. An internal criterion is found for the transition of a dynamically deformed material to structural instability.