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。     

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.     

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。     

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.     

纳米陶瓷粉末在爆炸压实过程中的破碎行为研究

 在爆炸压实过程中，纳米颗粒所受冲击载荷发生显著变化的时间远远大于应力波传过颗粒特征长度所用时间；同时，陶瓷颗粒在爆炸冲击过程中主要表现为脆性。基于以上两个事实提出了弹性假设，推导了颗粒在压实过程中的受力状态。回顾了判断脆性材料破坏的三个准则，即Hugonoit弹性极限、动态屈服强度和理论剪切强度，并从这三种判据的交集值出发来判断爆炸压实过程中陶瓷颗粒是否有发生破碎的可能。通过具体计算得出颗粒内存在两个最大剪应力的位置：一个位置发生在距颗粒接触面0.5 nm范围以内，此处剪应力最大；另一个位置发生在距接触面较远处。这一结果为解释陶瓷粉末颗粒在爆炸压实过程中存在塑性行为和破碎行为提供了理论依据。     

短脉冲载荷下金属材料的层裂破坏

 本文用点炮加载聚酯薄膜飞片撞击金属靶材料，飞片速度0.714~2.24 km/s，脉冲宽度40~80 ns，击靶压力为2.280~11.952 GPa。在回收的铝、铜和钢靶样品上观察到层裂现象。通过金相分析发现它们的破坏方式与在一般较长脉冲加载下的破坏方式相似，铝和铜以延性方式破坏；钢则以脆性方式破坏。一维和二维数值模拟结果表明通常的几种层裂判据在这个应力、应变和应变率范围内也基本上适用。     

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.     

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。     

脆性光学材料超精密加工技术

如何在光学晶体、光学玻璃等脆性材料上高效地制取纳米级光学表现是现代超精密加工技术领域的重点研究课题。近年来，此项技术取得了突破性进展，出现了浮法抛光、离子束加工、韧性加工等新一代脆性光学材料超精密加工技术。从加工机理、加工精度、表面质量、生产率等方面对其进行分析比较，并讨论了令人瞩目的韧性加工技术。     

不同含水率下岩石材料的能量与损伤演化特征

为研究含水率对硬岩材料的力学性质和能量损伤的影响规律，对不同含水状态的砂岩开展了单轴压缩试验。结果表明：砂岩试样的峰值应力、弹性模量和脆性指数随着含水率的增大而减小，峰值应变随着含水率的增大而增大；在干燥状态下，砂岩试样在破坏之前未发生明显的塑性变形，表现出显著的脆性破坏，而在饱水状态下，砂岩试样在峰前阶段出现显著的塑性变形，破坏前出现屈服平台；砂岩试样的含水率越大，吸能能力越强，能量吸收率越小，但是能量耗散越显著；砂岩试样的含水率越小，破坏时其损伤变量越大，在干燥状态下砂岩试样的破坏具有较强的冲击倾向性。研究结果可为深部地下工程围岩的稳定性控制提供理论参考。     

激光切割脆性材料的温度场模拟

激光切割脆性材料是一个复杂的光致热过程。在综合考虑材料的热物性参数、初始条件及边界条件的情况下,运用Ansys软件建立了激光切割脆性材料温度场的三维有限元模型。采用APDL语言实现了对热流密度的高斯分布和强制对流换热及移动激光热源的模拟。通过设置不同的激光切割参数,对温度场的变化进行了模拟分析。所建立的温度场模拟系统可以对实际激光切割脆性材料的热过程进行前期预测,并能对激光切割参数的选择进行一定的优化,以减少实际切割的盲目性。     

金属间化合物脆性研究中的若干物理问题

扼要介绍了金属间化合物的基本性质和用途，重点介绍了近十多年来在改善金属间化合物脆性方面取得的重大进展，讨论了环境脆化现象及其机理，提出了目前尚未解决的有关物理问题。     

冲击波极端条件下玻璃的细观结构破坏

 研究了冲击波极端条件下玻璃介质的细观结构破坏问题，指出在低于Hugoniot弹性极限的应力区内，按照细观结构损伤程度的不同，在受压玻璃介质中可以划分出两个区域，即压缩区和破坏区。以K9和ZF1玻璃为例，通过双层结构样品实验，确认了玻璃样品的表面效应（即表面原生微裂纹的扩展）是破坏区形成的第一位原因。其次，基于对破坏区内细观结构损伤和破坏特性的分析，进一步提出：由于玻璃内部散布的不均匀相与其基体介质之间的压缩率不同，冲击波压缩造成了众多的局域变形点，当表面裂纹扩展到不均匀相与基体的边界处，会出现裂纹扩展路径拐折或分叉，造成介质的分割甚至粉碎，这是破坏区生成的第二位原因。     

新型Pr基大块非晶及其特性研究

用铜模吸铸法获得了直径为5mm的一种新的Pr基大块非晶.与以往其他稀土-过渡金属(RE-TM)大块非晶不同的是，这种新的Pr基大块非晶具有明显的玻璃转变和稳定的过冷液相区，且其玻璃转变温度在目前已知的大块非晶中是最低的，T_g=409K.研究了该大块非晶的玻璃转变动力学，并给出了Kauzmann温度T_k、Vogel-Fulcher温度T⁰_g及脆性参数m等重要参数. 关键词： 大块非晶 玻璃转变 脆性参数m     

激发双模压缩真空态的非经典特性

通过数值计算研究了激发双模压缩真空态a^+mb^+m|ξ>的非经典特性.结果表明:对于a^+mb^+m|ξ>,Cauchy-Schwartz不等式受到破坏;当取适当的压缩参量r(例如0.4～0.7)时,a^+mb^+m|ξ>呈现出正交分量的压缩和光子的亚泊松分布,而且压缩程度和亚泊松特性都随m的增大而有所增强.     

单模辐射场与级联三能级原子相互作用场熵的压缩特性

研究了单模辐射场与级联三能级原子相互作用场熵的压缩特性，讨论了原子初始状态和原子一场模的耦合系数相对大小对场熵压缩特性的影响。     

双光子J-C模型场熵的压缩特性

研究了双光子过程J—C模型场熵的压缩特性，讨论了原子初态和失谐量对场熵压缩特性的影响。